電容式傳感器ppt精選課件

.,1,第5章電容式傳感器,工作原理、分類及應用主要特性參數(shù)典型測量電路電容式傳感器的結構設計、溫度影響及抗干擾措施,.,2,51工作原理、分類及應用,一、基本工作原理,：介質介電常數(shù)s：極板面積：極板間距離,.,3,思考:,主要優(yōu)、缺點：,電容傳感器能測哪些物理量?,優(yōu)點：1）分辨率高；2）動態(tài)特性好；3）對被測構件影響??；4）體積??；易于實現(xiàn)非接觸測試；5）檢測頭結構簡單；環(huán)境適應性較強，可以在惡劣環(huán)境下（高溫、輻射、振動）工作。,缺點：1）量程小；2）輸出阻抗高；3）易受分布電容影響。,.,4,二、分類,1、變間隙電容傳感器兩極板相互覆蓋面積及極間介質不變，當兩極板在被測參數(shù)作用下產生相對位移，引起電容值變化。變間隙式一般用于微小位移的測量（小至：0.01微米）。,A、按工作原理分類,.,5,2、變面積電容傳感器常用的有角位移型和線位移型兩種。與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測量。一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形。,.,6,3、變介電常數(shù)電容傳感器這種傳感器大多用于測量電介質的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)。可根據(jù)極板間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度、密度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。,.,7,B、按結構分類,.,8,(ba),其他結構：,存在屏蔽時同一平面上兩電極之間的電容,兩根導線之間的電容,.,9,三、應用,1-部分或整體絕緣的棍電極；3、4-拉緊或放松的繩電極：如果容器壁由導電材料制成，則只需裝入電極1、3或4，容器壁作為另一電極與外殼相連（接地）。如果容器壁由非金屬材料制成，需一個電極5配對，或用有內外電極的管式電極2。測量原理:電容器的上部為空氣，下部為液體。液位變化時，電容器的電容變化值C與被測材料的液位高度x成線性關系。,1、液位測量,測液位、測物位測微位移測壓力、力、加速度等,.,10,液位監(jiān)控:不需要探頭的電容值在整個高度范圍內線性變化，而是希望液位在達到極限位置時開關量輸出發(fā)生變化。l和2是棍電極或繩電極，3是側面安裝的棍電極，傾斜安裝可提高測試靈敏度，4是平面電極，可用于一些不能在內部插入電容探頭的容器內的液位測量，如攪拌器。,.,11,2、電容式料位傳感器,電容式料位變送器探頭與容器壁形成一個電容器。電容極板（探頭與容器壁）的表面積、兩極板之間的距離及被測物料的介電常數(shù)決定電容量的大小。當探頭固定安裝于容器端面后，被測物料的介電常數(shù)不變時，電容值僅取決于被測物料的高度，并與物位成正比。,.,12,分段電容式物位計,可以確定物料到達的位置，屬于非連續(xù)測量。,.,13,3、非接觸電容式位移傳感器,非接觸電容位移傳感器可測量導體和絕緣體的位置和移動參數(shù)，稱為接近覺傳感器。對于導體：主電極為發(fā)射電極，被測物體為接受電極，次電極為保護環(huán)（驅動電極），與主電極同電位；采用屏蔽環(huán)結構，可以避免邊緣電場，改善傳感器的特性。,.,14,對于絕緣體：調制參數(shù)為等效介電常數(shù)。主電極為發(fā)射電極，外側的防護環(huán)為接受電極；次電極為保護環(huán)（驅動電極），與發(fā)射電極同電位；電力線必須跨過驅動電極才能到達接受電極，因而擴大了測量范圍。使用場合要求干凈，任何油污、塵埃、水等介質進入傳感器間隙中，都將影響測量結果。,發(fā)射電極,驅動電極,接收電極,.,15,彎曲、波動變形,移動、位移位置、膨脹,振動、偏心位置、膨脹,沖擊、變形軸向竄動,閥門位移活塞移動,厚度、輪廓,偏心（同軸度）,壓縮機葉片間隙、轉速,電容位移傳感器的應用實例,.,16,電容式接近開關,結構：測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是物體本身。與電容式位移傳感器的不同之處：輸出開關量。,.,17,原理：變等效介電常數(shù)特點：非接觸式測量應用：紙張、絕緣薄膜等,電容式非金屬材料厚度測量,.,18,其他應用,.,19,其他應用,.,20,特點,高分辨率：變間隙電容傳感器在小量程范圍內有很高的分辨率和靈敏度。輸入能量?。鹤冮g隙型電容壓力傳感器只需很小的能量就能改變電容極板的位置。電參量相對變化大：信噪比高，工作穩(wěn)定。動態(tài)特性好：活動零件少、質量小、固有頻率高。結構簡單，環(huán)境適應性好：可以在振動、輻射環(huán)境下工作，采用冷卻措施還可以在高溫環(huán)境下工作。缺點：高輸出阻抗和分布電容使其易受干擾。變間隙型量程小，線性差。,.,21,5.2主要特性一、特性曲線、靈敏度、非線性,1、變間隙式：,定極板,動極板,：極板間介質介電常數(shù)0：真空介電常數(shù)r：極板間介質相對介電常數(shù)：極板間距離S：極板面積,.,22,靈敏度K與極板間距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。電容C與極板間距呈非線性關系。初始極板間距過小容易引起電容器擊穿或短路-解決方法：采用耐高壓的材料作介質（如云母、塑料膜等）。適合于微位移的測量。,靈敏度分析：,進一步分析：,.,23,非線性分析：,略去2次方以上高次項：,.,24,C/C0,m,用端基法求線性度：,0,.,25,擬合直線的斜率：,理論擬合直線方程為：,實際特性方程為：,理論特性（端基直線）與實際特性之間的偏差為：,.,26,最大絕對誤差處滿足：,最大相對誤差為：,最大絕對誤差：,絕對誤差為：,.,27,非線性誤差隨著0的減小而增大。為了保證一定的線性度，應限制動極板的位移量。一般情況下，mC2,C1C2,A點（Q)的波形,B點（）的波形,A點（Q)的波形,B點（）的波形,.,67,無論是變間隙、變面積電容傳感器,位移和輸出電壓都是線性關系。輸出為矩形波,只需經(jīng)低通濾波器引出即可。不需要解調。將差動電容傳感器的輸出變化信號轉換成有極性和大小輸出的直流信號。要求精度高、穩(wěn)定性好的直流電源。由于低通濾波的作用，對輸出矩形波的波形精度要求不高。,Conclusions：,.,68,五、運放式線路,按理想運算放大器的條件：,.,69,從原理上解決了單電容變間隙傳感器的非線性問題。實際上，Zi，K，所以，存在一定非線性，Zi、K很大，非線性很小。USC與C0、U有關，所以需要高精度交流穩(wěn)壓源、高質量電容C0;適合較大初始電容的測量；適合于非差動電容傳感器結構。,.,70,.,71,討論:,如果傳感器為圓柱液位型或變面積型,則應該將電容傳感器引入運放的什么位置?為什么？,輸入反相端.,.,72,例題：現(xiàn)有一個測量范圍為020mm的電容位移傳感器，結構如圖所示。已知L=25mm,R1=6mm,R2=5.7mm,r=4.5mm。圓柱C為內電極，A、B為外電極，D為屏蔽套筒。B、C構成固定電容CF，CAC隨活動套筒D的軸向移動而變化，構成變化電容Cx，擬采用理想運放電路。,.,73,求：1）設計電路，要求運放輸出與位移成線性關系；2）活動桿軸向移動1mm引起的電容變化；3）輸入電壓Uin=6V時，測量靈敏度是多少？4）分析固定電容CF的作用；5）電容傳感器與運放的連接導線對傳感器的輸出的影響。,.,74,5.4電容式傳感器的結構、結構穩(wěn)定性及抗干擾問題,一、結構實例-差動電容式壓差傳感器,.,75,電容式差壓變送器,高壓側進氣口,低壓側進氣口,電子線路位置,內部不銹鋼膜片的位置,.,76,電容式差壓變送器內部結構,1高壓側進氣口2低壓側進氣口3過濾片4空腔5柔性不銹鋼波紋隔離膜片6導壓硅油7凹形玻璃圓片8鍍金凹形電極9彈性平膜片10腔,.,77,感壓膜片采用張緊式結構。感壓腔內充灌溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定的硅油作為介質?？梢猿惺艹邏?、小壓差（過載保護能力強）P=P1-P2=100MPa-99MPa=2MPa-1MPa采用球面電極，改善傳感器的特性。工藝要求高：張緊膜片與殼體的焊接是難點。,說明：,.,78,由電子線路把差動電容轉換成4-20mA(DC)的二線制電流信號.,電容式壓力（差）變送器.,敏感元件,電子部件,機械接口及管路,.,79,二、電容式傳感器結構穩(wěn)定性問題1、溫度變化對結構穩(wěn)定性的影響,0:極板間隙；g0:固定極板厚度；b0:絕緣件厚度.,環(huán)境溫度變化t后，有：,.,80,溫度誤差與零件的尺寸、熱膨脹系數(shù)有關;應減少尺寸鏈的組成環(huán)節(jié);選用熱膨脹系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、鎳鐵合金等。其中尤以絕緣套材料為最重要。,說明：,.,81,2、溫度變化對介質介電常數(shù)的影響,以同心圓柱式液位傳感器為例:,設液面高度為H,液體介電常數(shù)與溫度的關系為:,起始溫度下的介電常數(shù),介電常數(shù)的溫度系數(shù),液位,.,82,溫度變化使得改變，引起電容量的變化為：,.,83,三、絕緣問題,電容傳感器電容量小、高阻抗，絕緣問題突出。解決措施：選擇優(yōu)質絕緣材料;裝配前清洗干凈，保證絕緣性;傳感器殼體密封，防止水汽進入;采用較高頻率的電源供電，以降低內阻抗，相應降低對絕緣電阻的要求.,.,84,四、寄生電容的干擾及防止,寄生電容：電容器極板與周圍物體之間產生電容聯(lián)系。寄生電容不穩(wěn)定傳感器輸出不穩(wěn)定產生干擾減小與周圍物體電容聯(lián)系的措施：1）采用屏蔽電纜，對傳感器及其引線進行屏蔽；2）殼體接地。,.,85,屏蔽電纜寄生電容問題,（屏蔽）電纜寄生電容較大（100pf/m），與傳感器電容并聯(lián)，電容相對變化量：電纜位置、形狀改變使傳感器輸出發(fā)生變化。,解決方法：,將調理電路與傳感器裝入殼體中，構成整體式傳感器。采用“驅動電纜技術”（雙層屏蔽等電位傳輸技術）：等電位屏蔽法。,.,86,驅動電纜技術,內屏蔽層與引線之間處于等電位，兩者之間沒有電容聯(lián)系。外屏蔽層仍起屏蔽作用。,條件：交流放大器放大倍數(shù)為1、相移為零無窮大的輸入阻抗，輸入電容C=0,.,87,采用LM310為驅動電纜放大器的跟隨器時，輸入和輸出端的波形與頻率的關系。,f=50KHz,f=100KHz,f=200KHz,f=500KHz,.,88,利用跟隨器LM310為驅動電纜放大器的輸入和輸出端的波形與頻率的關系。,f=1MHz,f=1.5MHz,f=2MHz,.,89,運算放大器法：,優(yōu)點:結構簡單,省略了1:1放大器.,問題:限制了傳感器的電路結構形式，例如采用脈寬調制電路，無法實現(xiàn)。,工程實例,棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。,一、電容式液位計,電容式液位限位傳感器,液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。,.,91,智能液位限位傳感器的設定指示部分,設定按鈕,超限燈,正常工作指示燈,電源指示燈,按下設定,.,92,二、硅微加工加速度傳感器,圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓,也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。,.,93,硅微加工加速度傳感器原理,1加速度測試單元2信號處理電路3襯底4底層多晶硅（下電極）5多晶硅懸臂梁6頂層多晶硅（上電極）,.,94,利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。,.,95,某型微機電三軸加速度傳感器,技術指標：靈敏度：500mV/g;量程：10g;頻率范圍：0.5-2000Hz;安裝諧振點:8kHz;分辨力：0.00004g;重量：200g;安裝螺紋：M5;線性誤差：1%,.,96,加速度傳感器在汽車中的應用,加速度傳感器作為碰撞傳感器。當負加速度值超過設定值時，處理器判斷發(fā)生了碰撞，啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。,假人,氣囊,.,97,氣囊的保護作用,使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣(0.01s)。,.,98,利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈,傳感器安裝位置,.,99,三、濕敏電容,利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。,.,100,多孔氧化鋁濕敏電容傳感器外形,濕敏電容模塊及傳感器外形,.,101,濕敏電容傳感器的安裝使用,在野外的使用,帶報警器的家庭使用型,.,102,原理：采用柱筒式結構，液位改變了等效介電常數(shù)，通過測量電容計算液位。,四.油量表,.,