第七章电容式传感器2.docx
- 文档编号:12045416
- 上传时间:2023-04-16
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:24.98KB
第七章电容式传感器2.docx
《第七章电容式传感器2.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第七章电容式传感器2.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第七章电容式传感器2
第七章
电容式传感器
学习目标
通过本章学习,应重点掌握电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,是参量型传感器;掌握电容传感器的工作原理、结构类型、测量电路;熟悉电容传感器测量各种非电量的方法;了解电容传感器的应用实例。
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。
其结构简单、高分辨力、抗过载能力大、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。
这是它的独特优点。
可用于测量压力、力、位移、振动、液位等参数。
但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。
随着集成电路技术和计算机技术的发展,这些缺点得以克服,成为一种很有发展前途的传感器。
7.1电容式传感器的原理与结构
7.1.1电容式传感器的工作原理
C=
由两平行极板组成一个电容器,若忽略其边缘效应,则它的电容量可用下式表示
图(7-1)平行板电容器
(F)(7-1)
式中S——极板相互遮盖面积(m2);
d——两平行板间距离(m);
є——极板间介质的介电常数;
єr——极板间介质的相对介电常数;
є0——真空的介电常数(8.85×10-12F/m)。
由式(7-1)可见,在єr、S、d三个参量中,只要保持其中两个不变,改变其中的一个均可使电容量C改变,这就是电容式传感器的工作原理。
所以电容式传感器可以分为三种类型:
改变极板面积的变面积型;改变极板间距离的变极距型;改变极板间介质的变介质型。
7.1.2电容式传感器的结构分类
1.变面积式电容传感器
图(7-2)为一直线型变面积式电容传感器的示意图。
当动极板移动⊿x后,覆盖面积发生了变化,电容也随之改变,其值为
d
εb(a-⊿x)
εb
d
d
C=—————=C0-———⊿x(7-2)
电容因位移而产生的变化量为
εb
d
⊿C=C-C0=-⊿x(7-3)
其灵敏度为
d
⊿C
⊿x
K=-=-(7-4)
可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。
图(7-3)为一角位移型变面积式电容传感器的示意图。
当动片有一角位移θ时,两极板间覆盖面积就发生变化,从而电容发生变化,此时电容为
θ
εS(1-θ/π)
π
d
Cθ==C0-C0(7-5)
图(7-3)角位移型变面积式电容传感器
还有一些其他形式的变面积型电容传感器,
如齿形板型、圆筒型、差动型等。
如图(7-4)
所示。
x
x
x
a)齿形板型b)圆筒型c)差动型
图(7-4)变面积式电容传感器的派生型
图(7-4)a)中极板采用了齿形板,目的是为了增加遮盖面积,提高灵敏度。
当齿形板的齿数为n,移动⊿x后,其电容为
εb
nεb(a-⊿x)
d
d
C=————=n﹙C0-———⊿x﹚(7-6)
εb
d
⊿C=C-nC0=-n⊿x(7-7)
εb
⊿C
d
⊿x
K==-n(7-8)
由前面的分析可知,变面积式电容传感器的灵敏度为常数,即输出与输入呈线性关系。
2.变极距式电容传感器
图(7-5)为这种传感器的原理图。
当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0,由
定极板
ε0εrS
式(7-1)可知其初始电容量C0为
d0
C0=(7-9)
当动极板移动x(设向上移动x)后,
d0
其电容量为
ε0εrS
d02
d0-x
1+
C==C0(7-10)
1-
d02
当x<<d0时,1-≈1
d0
C=C0(1+)(7-11)
由上讨论可知:
⑴由式(7-10)可以看出电容C与位移x不是线性关系,只有当x<<d0时,才可认为是近似线性关系。
但量程缩小很多。
ε0εrS
值得注意的是:
容抗XC=1/ωC与x却成线性关系。
因此,当电容传感器以容抗XC输出时,XC与位移x成线性关系,且不受x<<d0的约束。
d02
⑵由灵敏度K=-可知,灵敏度K与初始极距d0的平方成正比,故可用减小
d0的方法来提高灵敏度。
如电容式压力传感器中,常取d0=0.1~0.2mm,C0=20~100pF之间。
由于变极距式的分辨力极高,可测小至0.01μm的线位移,故广泛应用于微位移检测中。
但d0过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也高了。
为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。
在实际应用中,为提高灵敏度,减小非线性,可采用差动式结构。
3.变介质式电容传感器
当电容传感器中的电介质改变时,其介电常数变化,从而引起电容量发生变化。
这种类型的电容传感器有较多的结构型式。
可以用于测量纸张、绝缘薄膜的厚度,也可用于测量粮食、纺织品、煤等非导电固体物质的湿度,或液体的高度。
图(7-6)为介质面积变化的电容传感器。
可测物位、液位、位移等参数。
CA
由图可以看出,此时传感器的电容量为
C=CA+CB
bx
d2
d1
其中CA=
+
b(l-x)
d1+d2
CB=
ε1
式中,b为极板的宽度,l为极板的长度,x为介电常数为ε2的介质的位移。
设极板间无介电常数为ε1的介质时,电容为
ε1bl
d1+d2
C0=
当介电常数为ε2的介质插入两极板间时,则有
l-
ε1
x
ε1
d1
l
C=CA+CB=C0+C0(7-12)
+
此式表明,电容C与位移x呈线性关系。
4.差动式电容传感器
在实际应用中,为了提高电容传感器的灵敏度,改善非线性和消除温度的影响,常常采用差动形式。
如图(7-7)所示。
图(7-7)a)为变极距式差动电容传感器原理图。
中间为动片,上下两片为定片。
当动片移动距离x后,一边的极距变为d0-x,则另一边的极距变为d0+x。
图(7-7)b)为变面积式差动电容传感器原理图。
上下两个圆筒是定极板,而中间的为动极板,当动极板向上移动时,与上极板的遮盖面积增加,而与下极板的遮盖面积减小,两者变化的数值相等,反之亦然。
图(7-7)差动式电容传感器
7.2电容式传感器的测量电路
前面讨论了如何将被测非电量的变化转换为电容量的变化。
现在要讨论的是如何将电容量的变化转换为电信号的变化。
通常电容值是非常小的,直接测量电容也不方便,更不便于传输。
因此需要用测量电路将电容量的变化转换成与之有对应关系的电压、电流或频率的变化以便于显示、记录与传输。
与电容传感器用的测量电路有很多,下面介绍几种典型电路。
1.桥式电路
⑴单臂接法
图(7-8)为单臂桥式测量电路。
高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上,电容C1、C2、C3、Cx构成电容桥的四臂,Cx为电容传感器,交流电桥平衡时
图(7-8)单臂桥式测量电路
Cx
C1
C3
C2
=U0=0
当Cx改变时,U0≠0有输出电压。
此种电路常用于棉纱直径、料罐中之
料位检测仪中。
⑵差动接法
图(7-9)变压器式电桥差动测量电路
图(7-9)为变压器式电桥,接有差动
电容传感器,其空载输出电压可用下式表示
(C0-⊿C)-(C0+⊿C)
(C0+⊿C)+(C0-⊿C)
U0=U
⊿C
C0
=-U(7-13)
式中U——工作电压;
C0——电容传感器平衡状态时电容值;
⊿C——电容传感器的变化值。
这种电路常用于尺寸自动检测系统中。
2.双T电桥电路
图(7-10)双T电桥电路
测量电路如图(7-10)所示。
C1、C2为差动式电容传感器的电容,RL为负载电阻,D1、D2为理想二极管,R1、R2为固定电阻。
电路的工作原理如下:
当电源电压U为正
半周时,D1导通,D2截止,于是C1充电;
当电源电压U为负半周时,D1截止,D2导通,
这时C2充电,而C1则放电。
C1的放电回路由
图可以看出:
一路通过R1、RL,另一路通过R1、
R2、D2,设这时流过RL的电流为i1。
到下一个正半周,D1导通,D2截止,C1又
被充电,而C2则要放电。
放电回路一路通过RL、
R2,另一路通过D1、R1、R2,设这时流过RL的
电流为i2。
如果选择特性相同的二极管,且R1=R2=R,C1=C2,则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等,方向相反,在一个周期内流过负载电阻RL的平均电流为零。
RL上无电压输出。
若C1、C2发生变化时,在负载电阻RL上产生的平均电流不再为零,因而有信号输出。
此时输出电压值为
R(R+2RL)
U0≈RLUf(C1-C2)(7-14)
当R1=R2=R,RL为已知时,则
R(R+2RL)
RL=K
为一常数,故(7-14)可写为
U0=KUf(C1-C2)(7-15)
式中U为电源电压,f为电源频率。
该电路适用于各种电容传感器。
其具有以下特点:
⑴电源、电容传感器、负载电阻均可同在一点接地。
⑵二极管工作于高电平下,因而非线性误差小。
⑶其灵敏度与电源频率有关,故电源频率需要稳定。
⑷输出电压较高。
当使用频率为1.3MHz、有效值为46伏的高频电源,传感器电容从-7~+7pF变化时,在1MΩ的负载上可产生-5~+5V的直流输出。
⑸输出阻抗与R1或R2同数量级,可从1~100kΩ,与电容C1和C2无关。
⑹输出信号的上升前沿时间由RL决定,如RL=1kΩ,则上升时间为20μs,因此可用于动态测量。
3.脉冲调宽电路
图(7-11)为一种差动脉冲宽度调制电路。
图中C1和C2为传感器的两个差动电容。
电路由三个比较器IC1、IC2、IC3,一个双稳态触发器FF和两个充放电回路R1C1和R2C2
(R1=R2)所组成,Ur为直流参考电压。
图(7-11)差动脉冲宽度调制电路
电路的工作原理如下:
设电源接通时双稳态触发器Q
端输出为高电平(U1),Q端为低
电平(0)。
则Q端通过R1对C1
充电,充电时间常数为τ1=R1C1,
当E点电位UE上升到与Ur相等时,
比较器IC1输出一脉冲使触发器翻转
使Q端输出为低电平(0),Q端为高
电平(U1)。
此时D1导通,C1迅速
放电至零。
同时Q端通过R2对C2充电,充电时间常数为τ2=R2C2,当F点电位UF上升到Ur相等时,比较器IC2输出一脉冲使触发器又翻转为Q端输出为高电平(U1),Q端为低电平(0)。
同理C1充电,C2放电,从而循环上述过程,在双稳态触发器的两个输出端产生一系列宽度受C1、C2调制的脉冲方波。
经比较器IC3得输出电压U0。
各点的波形及输出波形如图(7-12)所示。
在C1=C2时,T1=T2,输出电压U0的平均值等于零。
而在差动电容C1、C2值不相等时(如C1>C2),则C1、C2的充电时间常数就发生变化,
T1≠T2输出电压U0的平均值就不再为零。
输出电压U0经低通滤波器后,即可得到一直流输出电压U0。
在理想情况下,它等于U0
的电压平均值,即
T1-T2
T2
T1
T1+T2
T1+T2
T1+T2
U0=U1=U1=U1(7-16)
式中T1、T2分别为C1、C2的充电时间,U1为触发器的输出高电平值,为定值。
因此输
出直流电压U0随T1、T2而变。
而C1、C2的充电时间为
U1
U1
U1-Ur
T1=R1C1ln;T2=R2C2ln
由此可见,电容C1、C2分别与T1、T2成正比。
在R1=R2时
T1-T2
C1-C2
T1+T2
C1+C2
U0=U1=U1(7-17)
式(7-17)说明,直流输出电压正比于电容C1与C2的差值,其极性可正可负,大小受C1与C2之比的极限所制约。
把平行板电容器公式代入上式,在变极距的情况下
d2-d1
d1+d2
U0=U1(7-18)
式中d1、d2——分别为C1、C2的电极极板间的距离。
当差动电容器C1=C2=C0时,对于变极距式,即d1=d2=d0,则有U0=0。
若C1≠C2,并设C1>C2,即在变极距式中有d1=d0-⊿d,d2=d0+⊿d,其中⊿d为差动电容器动片的微小位移,则式(7-18)可写成
⊿d
d0
U0=U1(7-19)
对于变面积式的差动电容传感器,同样有
⊿S
S
U0=U1(7-20)
图(7-12)各点电压波形图
根据以上分析,脉冲调宽电路具有如下特点:
⑴对敏感元件的线性要求不高,无论是变极距式或变面积式,其输出都与输入变化量成线性关系。
⑵不需要特殊电路,只要经低通滤波器就可以得到较大的直流输出。
⑶不需要高频发生装置。
⑷调宽频率的变化对输出无影响。
⑸由于低通滤波器的作用,对输出矩形波纯度要求不高。
这些都是其他电容测量电路无法比拟的。
4.运算放大器式测量电路
-
+
图(7-13)为运算放大器式测量电路原理图。
电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。
运算放大器的输入阻抗很高,因此可以认为它是一个理想运算放大器,其输出电压为
C0
Cx
U0=-Ui
εA
d
以Cx=代入上式,则有
C0
εA
U0=-Uid(7-21)
式中,U0为运算放大器输出电压;Ui为信号源电压;Cx为传感器电容;C0为固定电容器电容。
(7-21)式说明,输出电压U0与动片机械位移d成线性关系。
注意:
这种情况就是前述的当电容传感器以容抗XC输出时,XC与位移x成线性关系,且不受x<<d0的约束。
5.调频电路
这种测量电路是把电容式传感器与一个电感配合构成振荡器的谐振电路。
当电容传感器工作时,电容量发生变化,导致振荡器的振荡频率产生相应的变化,再通过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化,经放大电路即可显示,这种方法称为调频法。
图(7-14)就是调频—鉴幅电路原理图。
图(7-14)调频—鉴幅电路原理图。
U0
调频振荡器的振荡频率由下式决定
1
2π√LC
f=(7-22)
式中,L为振荡回路电感;C为振荡回路总电容。
振荡回路总电容一般包括传感器电容C0±⊿C,谐振回路中的固定电容C1和连接电缆的分布电容Cc。
以变极距式电容传感器为例,如果没有被测信号,则⊿d=0,⊿C=0。
这时C=C1+C0+Cc,所以振荡器的频率为
1
2π√L(C1+C0+Cc)
f0=(7-23)
f0一般取1MHz以上为宜。
当传感器工作时,⊿d≠0,则⊿C≠0,振荡频率也相应改变⊿f,则有
1
2π√L(C1+Cc+C0±⊿C)
f0+⊿f=(7-24)
振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波,其频率由式(7-23)决定。
7.3电容式传感器的应用
1.电容式位移传感器
图(7-15)是一种变面积式位移传感器的结构图。
这种传感器采用了差动结构。
当测杆随被测位移运动而带动活动电极移动时,导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化,其电容也相应产生变化。
这种传感器具有良好的线性。
2.电容式压力传感器
图(7-16)是一种典型的差动式压力传感器。
该传感器由金属活动膜片与电镀有金属膜的玻璃圆片固定电极组成。
在被测压力的作用下,膜片弯向低压的一边,从而使一个电容增加,另一个电容减少,电容变化的大小反映了压力变化的大小。
显然,这种传感器用于气体的差压、压力(表压)、绝对压力的测量。
开槽簧片
3.电容式加速度传感器
图(7-17)是一种空气阻尼的电容式加速度计。
该传感器有两个固定电极,两极板间有一用弹簧片支承的质量块,质量块的两个端平面作为动极板。
当测量垂直方向的振动时,由于质量块的惯性作用,使得上下两对极板形成的电容发生变化。
从而反映了加速度的大小。
质量块(动电极)
4.电容式测厚仪
电容式测厚仪是用于测量金属带材
在轧制过程中的厚度的在线检测仪器。
在被测带材的上下两侧各设置一块
面积相等、与带材距离相等的极板,两
块用导线连接作为传感器的一个电极板。
带材本身则是电容传感器的另一个电极
板。
当带材在轧制过程中的厚度发
生变化时,将引起电容的变化。
通过测
量电路与指示仪表可显示带材的厚度。
图(7-18)为电容式测厚仪的工作原理框图。
图(7-18)电容式测厚仪原理框图
小结
本章着重介绍了电容式传感器的工作原理、结构形式、测量电路及应用实例。
1.电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。
由C=εS/d可知在є、S、d三个参量中,只要保持其中两个不变,改变其中的一个均可使电容量C改变,这就是电容式传感器的工作原理。
所以电容式传感器可以分为三种类型:
改变极板面积的变面积型;改变极板间距离的变极距型;改变极板间介质的变介质型。
2.三种类型中:
变面积型、变介质型电容的变化与面积的变化、介质的变化成正比;
而变极距型电容的变化与极距的变化成反比。
3.电容式传感器的测量电路的特点是:
电路简单,方便易行。
典型的是:
双T电桥电路、运算放大器电路、脉冲调制电路。
4.电容式传感器可以测量位移、压力、加速度、液位、荷重、厚度等。
A
思考题与习题
7.1试叙述电容式传感器的工作原理及分类。
7.2电容式传感器的测量电路有哪几种?
试分析它们的工作原理及主要特点。
7.3试分析变面积式电容传感器与变极距式电容传感器的灵敏度,为提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题?
7.4为什么说变极距式电容传感器特性是非线性的?
采取什么措施可改善其非线性特性?
7.5有一平面直线位移型差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥,结构组成如图(7-19)所示。
电容传感器起始时b1=b2=b=20mm,a1=a2=a=10mm,极间介质为空气,测量电路中ui=3sinωtV,且u=ui。
试求动极板上输入一位移量⊿x=5mm时的电桥输出电压u0。
⊿x
-
+
7.6变极距式电容传感器的测量电路为运算放大器电路,如图(7-20)所示。
传感器的起始电容量Cx0=20pF,定动极板距离d0=1.5mm,C0=10pF,运算放大器为理想放大器(即A→∞,Zi→∞),Rf极大,输入电压ui=5sinωtV。
求当电容传感器动极板输入一位移量⊿x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压u0为多少?
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第七 电容 传感器