机械工程测试技术基础 第七讲电容式传感器

第四讲传感器测量原理电容式传感器变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++A上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？电容式传感器a)极距δ变化型++++++电容式传感器当极板距离减小，电容量为电容增量当时，一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。当时，略去非线性项，得电容传感器的灵敏度为差动式结构：提高灵敏度，降低非线性，改变零点附近的线性度b)面积变化型角位移型+++电容式传感器平面线位移型电容式传感器电容改变量与水平位移成线性关系电容式传感器圆柱体线位移传感器RBRAlx当x=0时，两筒完全覆盖当动极移动x后，其电容输入/输出具有线性特性！c)介质变化型电容式传感器介质变化型传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。电容式传感器液位传感器hC1CC22r12r2hx若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为电容式液位计具有线性输出特性！厚度测量，温度、湿度测量dδ电容C与介质厚度、介电常数ε的关系是非线性的！3测量电路a)电桥电路电容式传感器电桥电路1)阻容交流电桥交流电桥的平衡条件即——模平衡条件——相位平衡条件GADCB～上式表明交流电桥有两个平衡条件，只有当两个平衡条件同时满足时，电桥才能达到平衡。纯电阻：电压电流同相，。纯电容：电压滞后电流,.由交流电知识有：纯电感：电压超前电流,。考虑电容、电感和电阻的相角，以及交流电桥平衡时必须满足的相位关系，必须合理搭配电桥中的四臂元件电桥才能平衡。ADCBmV～各元件参数的平衡条件：ADCB～差动式电容器分别构成相邻臂放大器相敏检波滤波器差动电容传感器电桥2)变压器式电桥变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。特点：①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。LLC1C2~K相敏解调滤波3)双T电桥输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高,当电源频率为1.3MHz,电源电压Ei=46V时,电容从-7～+7pF变化,可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。运算放大器电路电容式传感器此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路电容式传感器其它测量电路电容传感器的等效电路调频电路调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控脉冲宽度调制电路差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。电容式传感器的灵敏度及非线性讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。当时，则上式可按级数展开，故得电容的相对变化量为当Δd/d01时，可略去高次项,得到近似的线性：电容传感器的灵敏度为它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与初始间距d0有关,呈反比关系。提高灵敏度,应减小d,但d过小不但影响两极板移动的平衡性,而且容易击穿。一般在极板间放置云母片或塑料膜。如果只考虑式中的线性项与二次项,则由此可得出传感器的相对非线性误差δ为可以看出:要提高灵敏度,应减小起始间隙d0,但非线性误差却随着d0的减小而增大。在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性误差,大都采用差动式结构。在差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则在Δd/d0《1时,则按级数展开:电容值总的变化量为ΔC=C1-C2=C0电容值相对变化量为如果只考虑线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为电容传感器做成差动式之后,灵敏度提高一倍,而且非线性误差大大降低了。电容式传感器电容传感器特点及应用特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%~200%，位移0.01μm）动极板质量小，惯性小，其固有频率很高，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强，能够承受高压力、高冲击、过载等情况。缺点：非线性；差动结构寄生电容影响大。双层屏蔽电缆，小型集成电路电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01～较大的位移，0.001m电容式角度和角位移传感器的动态范围为0.1″至几十度，分辨率约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为0～50m、频率为10～2kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。电容式位移传感器差动式电容测厚传感器电容式压力传感器电容式加速度传感器电容式料位传感器电容式振动传感器湿度测量电容式键盘电容传声器……1-测杆：2-片簧：3-定极板；4-动极板：a)电容式位移传感器：差动结构：电容式传感器应用一般变极板间距离电容式传感器起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广原理：变介质型变极距型；b)电容式厚度传感器：特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式传感器应用c)电容式压力传感器：电容式传感器应用d)电容式加速度传感器：电容式传感器应用e)电容式料位传感器电容式液位传感器（液位计/料位计）电容式传感器应用f)电容式振动传感器电容式传感器应用陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。                              压力变送器电容式传感器产品电容式传感器产品驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。电容式传感器产品电容式传感器产品混浊度测量计利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器产品油量测量当燃油增大，h2增大，△C也增大，即传感器的电容增大；燃油减少，h2减少，△C也减小，即传感器的电容减少。这样传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少。电容式传感器产品电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。电容式传感器产品IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器。指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。电容式传感器产品指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式传感器产品作业P286T4-19T4-20