力敏传感器3.ppt

* 第三节? 电容式传感器 优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。 一、 工作原理与类型 （一）工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 S δ ε （二）? 类型 三种基本类型： 变极距(变间隙)(δ)型 变面积型(S)型 变介电常数(εr)型 表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 位移：线位移和角位移两种。 极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量ΔC为 δ 2 变极距型电容传感器 1 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。 C C0 C- 特性曲线 C0—极距为时的初始电容量。 2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 3、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。 若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为 δx 厚度传感器 C1 C2 C3 C 若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为 C1 C2 C3 C C4 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ； δ:两固定极板间的距离； δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l 平板形 lx 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 液位传感器 h C1 C C2 可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 2r1 2r2 hx 例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L) 解： 二、 转换电路 （一）? 电容式传感器等效电路 L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感： r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容； Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容； Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。 C0 Cp Rg L r Ce Re L re Ce 供电电源频率为谐振频率的1/3~1/2 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而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。 （二）测量电路 1