同濟(jì)大學(xué)蘇永清_傳感器與檢測技術(shù)第3章電容式傳感器-C特點(diǎn)及誤差分析

1、1 1傳感器與檢測技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師：蘇永清 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系2例題例題 圖為二極管環(huán)形檢波測量電路。圖為二極管環(huán)形檢波測量電路。C1和和C2為差動式電為差動式電容傳感器，容傳感器，C3為濾波電容，為濾波電容，RL為負(fù)載電阻。為負(fù)載電阻。R0為限流電為限流電阻。阻。UP是正弦波信號源。設(shè)是正弦波信號源。設(shè)RL很大，并且很大，并且C3C1,C3C2。 試分析此電路工作原理；試分析此電路工作原理； 畫出輸出端電壓畫出輸出端電壓UAB在在C1=C2、C1C2、C1C2三

2、種情況下三種情況下波形圖；波形圖； 推導(dǎo)數(shù)學(xué)表達(dá)式。推導(dǎo)數(shù)學(xué)表達(dá)式。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系30,0,0,212121ABABABUCCUCCUCC),(,21332211CCCCUCjIUCjIPP阻抗可忽略，ABABZIIU)(21 UAB波形圖如圖3-5(b）所示。由波形圖可知 ，則 31231()1LPLRj cjCC URj C121233)PPCCCCjUUj CC（輸出電壓平均值PABUCCCKU321，式中K為濾波系數(shù) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系4上講復(fù)習(xí)1、電容傳感器的等效電路cZsRLC

3、pR22011 (/)ECCCLCff等效電容 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系52、交流不平衡電橋11222(1)(1)SCZZZZAAAUEKEA令 為傳感器阻抗相對變化值；A=為橋臂比，K=為橋臂系數(shù)則：思考 和應(yīng)變式傳感器直流電橋的關(guān)系 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系63、二極管環(huán)形檢波電路如圖3-10所示：012()iUKU f CC 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系74、差動脈沖寬度調(diào)制電路12120111212TTCCUUUTTCC 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子

4、與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系85、運(yùn)算法測量電路011xiixj CCUUUj CC 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系93-3 3-3 電容式電容式 特點(diǎn)及誤差分析特點(diǎn)及誤差分析1 1溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。2 2結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制

5、造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測量。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系10103 3動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因

6、此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。4 4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)當(dāng)被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系111

7、1不足：1 1輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)106108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十M以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)

8、定。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系12122 2寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周圍傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求3 3、輸出特性非線性、輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差

9、動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系13132 2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng)適當(dāng)減小極間距減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍，且與電極2電絕緣但等電位，這就能使電極2

10、的邊緣電力線平直，電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系1414 （1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積增加工作面積或工作長度工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、

11、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對值變化在 10-61范圍內(nèi)。 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它。可采用方法： 3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響（1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；（）注意傳感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5）采用運(yùn)算放大器法；）采用運(yùn)算放大器法； 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程

12、學(xué)院控制科學(xué)與工程系15 （2 2）注意傳感器的接地和屏蔽）注意傳感器的接地和屏蔽 圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動?？蓜訕O筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動極筒移動時，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。 引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級的距離。 絕緣體屏蔽殼固定極筒可動極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系16 （3 3）集成化）集成化 將傳感器與測

13、量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。 （4 4）采用）采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過1:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因

14、此稱為“驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)10m10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系17外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)準(zhǔn)確度要求達(dá)1/ /10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。 1：1測量電路前置級外 屏 蔽層內(nèi) 屏 蔽層芯線傳感器“驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖 當(dāng)電容式傳感器的初

15、始電容值很大(幾百F)時，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達(dá)10m，儀器仍能正常工作。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系185 5防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為： u屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等等。u增加原始電容量，降低容抗。u導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成

16、直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。u盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。u采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系19電容式傳感器的應(yīng)用1、電容式差壓變送器1高壓側(cè)進(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口3過濾片過濾片4空腔空腔5柔性不銹鋼波紋隔離膜片柔性不銹鋼波紋隔離膜片6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片8鍍金凹形電極鍍金凹形電極9彈性平膜片彈性平膜片10 腔腔 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院

17、控制科學(xué)與工程系20高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系212、電容式液位計(jì) 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系22 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系23電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送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，而的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸出低電平

18、。但也可以選擇時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。輸出為高電平的型號。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系24液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時，放開按液位達(dá)到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高于。正常使用時，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報警信號該點(diǎn)后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。和控制信號。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程

19、學(xué)院控制科學(xué)與工程系253、加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，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。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系26微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)： 靈敏度：靈敏度：500mV/g， 量程：量程：10g 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz 安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：200g 安裝螺紋：安裝螺紋

20、：M5 mm 線性誤差：線性誤差：1% 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系27硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1加速度測試單元加速度測試單元 2信號處理電路信號處理電路3襯底襯底 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系28 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容在硅襯底上，制造出三個多晶硅

21、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(dāng)于懸臂可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。梁。 當(dāng)它感受到上下振動時，當(dāng)它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流輸出轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且

22、懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 以上。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器如果在殼體內(nèi)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。，就可以測量三維方向的振動或加速度。 電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系29 兩個固定極板（與殼體絕緣），中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板（與殼體電連接）。 當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙