傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 項(xiàng)目三 基于電容式傳感器的濕度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

項(xiàng)目三 基于電容式傳感器的濕度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作1.電容式傳感器特點(diǎn)電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點(diǎn)：（1）小功率、高阻抗。（2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。（3）本身發(fā)熱影響小。（4）可進(jìn)行非接觸測量。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。2.電容器在收音機(jī)中的應(yīng)用并聯(lián)在收音機(jī)LC諧振電路的電感兩端的電容量越大，所接收到的電臺的頻率就越低。電容器在收音機(jī)中，用于改變諧振頻率，從而調(diào)整所要接收的電臺。電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的、電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。3.工作原理由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時，對圖示平行極板電容器，電容量為式中S——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；ε——兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；rε0——真空介電常數(shù),ε0=8.85

10-12(F/m)3.工作原理C

S

0

r

Sd d+Srd_3.工作原理C

S

0

r

Sd d可見：在S、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起S、d、ε三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：變極距式電容傳感器；變面積式電容傳感器；變介電常數(shù)式電容傳感器。3.工作原理4.

電容器的邊緣效應(yīng)理想電容器的電場線是直線,而實(shí)際電容器只有中間區(qū)域是直線，越往外電場線彎曲的越厲害。到電容邊緣時電場線彎曲最厲害，這種電場線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在極板面積較小時，將引起測量誤差。+Srd_5.電容式傳感器的等效電路對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時，其等效電路如下圖所示。電容傳感器的等效電路念.

丘必.

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?泛念( 伴不士學(xué)沈ZIBOVOCATIONAL

INSTITUTE項(xiàng)目三 基于電容式傳感器的濕度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作設(shè)初始電容為當(dāng)間隙d0減小Δd時,則電容量增大ΔC，則：0d0 d0C

0

r

S

0S000

d

C

C

C

0

r

S

0

r

S

0

r

S

d

Cd0

d d0

d0d

d0

d

d0C0 d0電容的相對變化為：

C

d 1 1

d

d1.變極距式電容傳感器可見，電容C的相對變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項(xiàng)得到其近似的線性關(guān)系：電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為：當(dāng)

d

/

d0

1

時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：

C

d

dd0

d

2

d

3

......

d0

d0

1

C0 d0

C

dC0 d0K

C

/

C0

1

d d0靈敏度隨極板間距的減小而增大1.變極距式電容傳感器如果只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則得非線性誤差：如圖，極距變化相同值±△d所對應(yīng)的電容變化量不同000L(

d

/

d

)2

100%

d

/

d

100%

d/

dΔC1>ΔC2由以上分析可知：變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性輸出。非線性隨極板間距的減小而增大1.變極距式電容傳感器-非線性誤差C為了提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。1.變極距式電容傳感器1.變極距式電容傳感器

d/d0

11.變極距式電容傳感器1.變極距式電容傳感器d0K

'

C

C0

2d0d00L

0

100%

100%

d

22(

d

/

d

)2(

d

/

d

)3

可見，電容式傳感器做成差動式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時，差動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。1.變極距式電容傳感器2.變面積式電容傳感器2.變面積式電容傳感器xdb

a

x

db

xC

C

0

0x 0d a

C

C

C

b

x

C

xd

C

b

x靈敏度：k靈敏度為常數(shù)用于線位移測量的電容式傳感器當(dāng)動極板移動后,極板相對有效面積發(fā)生變化，對應(yīng)的電容值為：2.變面積式電容傳感器變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響,而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。其電容計(jì)算式為：C

2

xln(D

/

d

)當(dāng)重疊長度x變化時，電容量變化為：靈敏度為：可見，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。2.變面積式電容傳感器0ln(D/

d

) ln(D

/

d

)ln(D

/

d

)ln(D

/

d

)2

L 2

x2

x

C

C

C

2

(L

x)

2

K

C

x ln(D

/

d

)2.變面積式電容傳感器0Cd

S000d

(S

S0

)C

C

(1

)00

C

C

C

C

K

C

C0

用于角位移測量的電容式傳感器2.變面積式電容傳感器3.變介質(zhì)式電容傳感器電容式液位傳感器原理圖電容式液位傳感器3.變介質(zhì)式電容傳感器電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電路圖示同軸圓柱形電容器的初始電容為:測量時，電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。設(shè)C1為液體有效高度hx形成的電容，C2為空氣高度（h-hx）形成的電容，則：0ln(r2 r1

)2

0hC

1ln(r2 r1

)C

2

hx22 1

0 x ln(r r

)C

2

(h

h)3.變介質(zhì)式電容傳感器3.變介質(zhì)式電容傳感器0 00可見，電容C理論上與液面高度hx成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位高度。xln(r2 r1

)

h由于C1和C2為并聯(lián)，所以總電容為:C

2

hx

2

0

(h

hx

)

2

0hxln(r2 r1

) ln(r2 r1

) ln(r2 r1

)

2

(

0

)hx

C

C (

0)

h念.

丘必.

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?泛念( 伴不士學(xué)沈ZIBOVOCATIONAL

INSTITUTE項(xiàng)目三 基于電容式傳感器的濕度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距d之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時對極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：

邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。

邊緣效應(yīng)造成邊緣電場產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差也增加。1.消除和減小邊緣效應(yīng)d d

r

2 16

r

h

C

0

r

r

ln

1

f

(

)

d

1.消除和減小邊緣效應(yīng)+-1.消除和減小邊緣效應(yīng)

在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)消除邊緣效應(yīng)，如圖所示。等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極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。+-

1.消除和減小邊緣效應(yīng)（a）消除邊沿效應(yīng)原理圖

（b）帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)

（1）增加傳感器原始電容值

采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2mm~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或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、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在

10-3~103

pF范圍內(nèi)，相對值變化在

10-6~1范圍內(nèi)。2.消除和減小泄露電容的影響

（2）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。可動極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。2.消除和減小泄露電容的影響絕緣體固定極筒可動極筒屏蔽殼連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖（3）采用組合式與集成技術(shù)，縮短傳感器與測量電路之間的距離

將傳感器與測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，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?？刹捎萌N方法，第一種方法是將測量電路的前置放大級或測量電路全部裝在靠近傳感器處。以縮短傳感器到測量電路之間的電纜長度；第二種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，把全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；第三種方法是利用集成工藝，將傳感器與測量電路集成在同一塊芯片上,構(gòu)成集成式電容傳感器。2.消除和減小泄露電容的影響（4）采用“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)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，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，因此稱為“驅(qū)動電纜”。2.消除和減小泄露電容的影響＋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P1

P2

3

4

3

4

P1電容C

和C

分別與Z

和Z

相并聯(lián)。如果Z

和Z

比C

和CP2的容抗小得多，則寄生電容CP1和CP2對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。2.消除和減小泄露電容的影響

（5）整體屏蔽法

將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。如圖所示，是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂

Z3和Z4中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)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。3.防止和減小外界干擾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 減小導(dǎo)線間的分布電容的靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。u 減小接地點(diǎn)，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。3.防止和減小外界干擾念.

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INSTITUTE項(xiàng)目三 基于電容式傳感器的濕度計(jì)的設(shè)計(jì)與制作調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。1.調(diào)頻測量電路，即:當(dāng)電容發(fā)生變化時，頻率變?yōu)椋赫{(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量，易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。1.調(diào)頻測量電路01f

2

L(C1

Ci

C0

)011 i 0f

f

f2

L(C

C

C

C)被測信號為零時，

C

0

，振蕩器有一個固有振蕩頻率2.交流電橋電路的形式3.變壓器電橋00x1x

2x1x

2x1x

2Cx12Cx1E

C

C

1

2

C

C

2C2

C

C 2

C2

Cx1 x

2

E

E

E

E

CU

002

d

E

dU

4.運(yùn)算放大器電路5.二極管雙T形交流電橋5.二極管雙T形交流電橋6.脈沖寬度調(diào)制電路6.脈沖寬度調(diào)制電路C1＝C2時C1>C2時6.脈沖寬度調(diào)制電路0U

T1U1

T2U1

(T1

T2)U1T1

T2 T1

T2 T1

T21 21r 1 rT

R1C1

lnU1

;T

R2C2

lnU1U

U

U

U011 2U

C1

C2

UC

C6.脈沖寬度調(diào)制電路011 2U

d1

d2

Ud

d010Ud

d

U念.

丘必.

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