第4章电容式传感器.ppt
第4章 电容式传感器,优点,结构简单 分辨力高 动态检测 工作条件恶劣 非接触测量,应用,压力、力 位移 振动 液位、料位 介质的湿度、密度 物质成分等,第一节 基本工作原理、结构及特点,平行板电容器,C - 电容量（F）； A - 两极板相互覆盖面积（m2）； d - 两极板间距离(m) ； - 两极板间介质介电常数(F/m)。,分类,变极（间）距型,变面积型,变介电常数型,介质的相对介电常数,0- 真空的介电常数, 0 8.854 ×1012 (F/m)。,常见介质的相对介电常数,一、变极距型电容传感器,当 时，,C=f(d)特性曲线,略去其高次项，得到近似线性关系式：,灵敏度为 ：,如果考虑线性项和二次项，,相对非线性误差为：,变极距型电容传感器的非线特性,在两极板间加一层云母或塑料膜：,具有固体介质的变间隙式电容传感器,A,d,差动式结构,当动极板向上位移为d时，,d1 d0-d,d2 d0+ d,电容总的变化 :,灵敏度为 ：,只考虑线性项和三次项,则相对非线性误差为:,差动式电容传感器的Cd/d0曲线,电容式差压变换器结构,（用于测量呼吸的流量大小和呼吸气流极性等参数）,二、变面积型电容传感器,1、直线位移式,当动极板向右（或向左）平移x时，,2、角位移式,当初始位置 = 0时，,当 0时,灵敏度K ,三、变介电常数型电容传感器,（1）柱式,l-两圆筒（电极）相互覆盖的有效高度； R- 外圆筒（电极）半径；r- 内圆筒（电极）半径；- 介质介电常数,电容值为：,电容液面计：,R外电极半径； r-内电极半径； l2-电极总长度； l= l0 +l1 ，液面高度； l1-电极浸入液体的高度； l0-电极底部距容器底部的高度； 1-被测介质的介电常数； 2-液面上面气体的介电常数。,气体介质的电容：,液体介质的电容：,= K+Bl,传感器电容量C与液面高度l成线性关系,（2）平行板式,A极板面积； h固体介质厚度； d极距； r固体介质相对介电常数。,空气隙的电容值：,固体介质的电容值：,电容器的电容值为 :,初始电容值为：,当,（灵敏度因子）,（非线性因子）,当 时，,2、此传感器若保持 r 不变，可测介质厚度的变化。,应用：,1、测湿度,灵敏度因子和非线性因子,灵敏度,初始电容：,3、若被测介质充满两极板间，则h=d，此时,测原油含水率,四、几种不同的电容式传感器的原理结构图,（a）和（b）为变极距式,（c）、（d）、（e）和（f）为变面积式,（g）和（h）为变介电常数式,变极距型一般用来测量微小位移（0.01100m）； 变面积型一般用于测量角位移1°100°或较大线位移； 变介电常数型常用于物位测量及介质湿度、密度测量等。 其他物理量须转换成电容器的d、A或的变化再进行测量。,总结：,第二节 电容式传感器的测量电路,一、 电桥,平衡状态,Z1 Z1+Z,调幅调频脉冲,交流,传感器阻抗相对变化率；,桥臂比；,桥臂系数,实数,为最大值Km，而Km又随而变化：,当=±180°时,桥臂Z1 、 Z2 是相同性质元件；,桥臂Z1 、 Z2 相位相差 90°；,当=0°时，Km=0.25，,当=±90°时，Km=0.5，,Km=，输出电压 趋于无穷大，,此时电桥发生谐振。,电桥性能特性曲线,a=1时，,当=0时，则=0。这就意味着当桥臂Z1、Z2是相同性质元件时，无论a为任何值，输出电压 与电源 同相位。,电桥性能特性曲线,1）当a=1时，无论为任何值，始终为零，则输出与电源同相位；,2）当a=时，=m（最大值），并且m =；,几种常用的交流电桥,（a）,（c）,（b）,图（a）：,=0.25,图（c）：,图（b）：,=0.5,=90°，,a=1,=0°,二、变压器式电容电桥,变极距型差动式平板电容器 ：,线性关系,三、运算法测试电路,变极距型,优点： 从原理上克服了 变极距型电容传感器 的非线性。,例：现有一只电容式位移传感器，其结构如下图（a）所示。已知L=25mm，R6mm，r2mm。其中，圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，构成一个固定电容。是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容x。采用理想检测电路如图（b）所示，其信号源电压有效值i。问：（）在要求运放输出电压o与输入位移x成正比时，标出和x在图（b）中应连接的位置；（）求该电容式传感器的灵敏度k；（）求该测量变换系统输出电压灵敏度v。（注：同心圆筒电容公式 ）,四、差动脉冲宽度调制电路,利用电容器的充放电时间调制方波脉冲宽度。,电路原理：,脉冲宽度调制电路波形,C1=C2,C1C2,若A端为高电平，B端为低电平,则,C1充电时间 ：,翻转时,设 t=T1,U双稳态触发器输出高电平。,同理，C2充电时间：,利用傅立叶级数可将A、B端输出的波UA、UB表示为：,由于输出只取直流分量，故经过滤波后的输出中只有直流分量，即,对差动电容传感器：,变极距型,变面积型,1、差动式输出电压与被测位移（或面积变化）线性； 2、不需解调电路，只需低通滤波电路便可测得较大直流电压； 3、不需载波； 4、调宽频率变化对输出无影响。,电路特点：,第三节 电容式传感器的误差分析,一、等效电路,理想电容传感器,实际电容传感器,C-传感器电容； Rp-并联损耗电阻 ； Rs-串联损耗电阻； LS-传感器接线端之间的电流回路的总电感； CP-寄生电容。,其等效阻抗为 ：,（Rp很大）,（j2=1）,等效电容为：,激励信号的角频率。,电路的谐振频率,当 时，可视为,Ce=C,此时电容传感器可用纯电容表示。,二、边缘效应,r极板半径 h 极板厚度 d 极距,消除和减小边缘效应的影响：,（1）增大初始电容，即增大极板面积，减小极板间距；,（2）减小极板厚度；,（3）加装等势环。,若考虑寄生电容 ，即CA,差动式电容传感器输出特性,三、寄生与分布电容,驱动电缆法原理图,1：1放大器 双层屏蔽电缆引出线 引出线接放大器的输入端 放大器输出端接电缆线内屏蔽线上电缆外屏蔽线接大地,（一）驱动电缆法,（二）整体屏蔽法,第四节 电容式传感器的医学应用,一、电容式压力传感器及血压测量,测血压用的电容式传感器,测量电路,输出特性,二、电容式心音传感器,心音、心电图和心内压之间的对应关系,心音测量系统,三、直流极化型电容式传感器,电容式微音器,应用：记录心音、心尖搏动、胸壁运动以及动脉和挠动脉的脉动等。,两极板间的距离：,总的电容C ：,直流极化电路,(1)当 时，,电容电荷,输出电压的变化与位移变化成正比关系。,电流i与速度v成正比关系。,（2）当 时，,回路电流作为输出形式 ：,四、 电容式位置传感器及心电图测量,（一）电容式位置传感器,（二）心电图的测试,热笔式心电图机,笔式自动平衡心电图机测试原理图,五、电容测厚仪,用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。,六、电容式荷重传感器,主要用于称重负载，如地磅秤。,七、差动电容式压差传感器,例 置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并与储存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为25mm，高为1.2m，被储存液体的 。试计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内时的灵敏度。,解：,思考题：,1、计算下图所示各电容传感元件的总电容表达式 。,2、变面积型平行板线位移电 容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其灵敏度？若极板相对移动2mm，求其电容变化量？,3、有一变极距式差动电容传感器，其结构如图所示。选用变压器交流电桥作测量电路。差动电容器参数：r=12mm；d1=d2=d0=0.6mm；空气介质，测量电路参数： U = 3sint (V)。试求：（1）初始电容C1=C2=Co；（2）当动极板向上位移x=0.05mm时，电桥输出端电压Uo?,
