傳感器第四章-課件

第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器

——電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，進而通過轉(zhuǎn)換電路再轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）輸出的裝置。第一節(jié)工作原理與類型一、工作原理

——以平板電容器為例（如圖），若忽略邊緣效應時，其電容量為：（4-1）（4-1）二、類型（如表4—1P68）三、各種類型電容傳感器特性（1）變極距型電容傳感器（δ型）——被測量引起δ變化△δ時，電容變化△C為：

顯然，此類型電容傳感器具有較嚴重的非線性，實際應用中采用差動式來改善其非線性。（2）變面積型電容傳感器（S型）平面極板圓柱面積極板●平面極板由上式知兩者之間為線性關(guān)系，但δ的恒定很難保證，因而帶來附加誤差。所以一般不采用?！駡A柱面極板顯然，此類傳感器具有良好的線性，非線性誤差小，實踐中廣泛采用。l——內(nèi)、外筒間覆蓋部分長度。（3）變介電常數(shù)型電容傳感器（ε型）

——變介電常數(shù)型電容傳感器可測量電介質(zhì)的厚度和液位高度，下面分別介紹。●測量電介質(zhì)厚度顯然，傳感器中電介質(zhì)厚度變化使其總電容隨之變化，實現(xiàn)測量目的。對于電介質(zhì)部分插入傳感器中的情況（如圖）顯然，改變電介質(zhì)厚度和插入深度都將引起總電容的改變，進而實現(xiàn)測量目的。●測量液位高度（如圖）顯然，hx變化使總電容C變化，而實現(xiàn)液位的測量。第二節(jié)轉(zhuǎn)換電路——電容式傳感器當接入轉(zhuǎn)換電路時，其電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）的變化而輸出。下面介紹幾種轉(zhuǎn)換電路。一、電容式傳感器等效電路——電容式傳感器若考慮到其它參數(shù)的影響，可等效為（如圖所示電路）。r：串聯(lián)電阻（引線、焊接點、板極等的等效電阻）；L：分布電感（引線、焊接點、板極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的）；CP：引線電容（引線、焊接點、測量電路等形成的總寄生電容）C0：傳感器本身電容；Rg：漏電阻（極板間介質(zhì)漏電損耗極板與外界的漏電損耗電阻）①在低頻時②高頻時二、轉(zhuǎn)換電路——下面介紹幾種轉(zhuǎn)換電路。1、電橋電路（交流電橋）

——電路如圖。對于上述電路，由于個橋臂阻抗為：（初始時有C0=C）代入前式有：顯然，將電容式傳感器電容量的變化引起電路輸出電壓的變化，進而實現(xiàn)測量目的。電容電橋的特點：①要求高頻正弦波供電②要求電源頻率和幅值穩(wěn)定③輸出阻抗大④動態(tài)范圍小2、二極管雙T型電路——電路如圖（a）。當方波電源電壓為正半周時，VD2開路、VD1短路、C1迅速充電后也視為開路。則電路等效為（b），整理后有電路（c）。

對電路（c）虛框部分依戴維南定理等效為電壓源，則有圖（d）整理后等效電路圖（e）。

由圖（e）知，此電路為一階電路，設C2初始電壓為UE，則運用三要素法可求得C2中電流為：（4-6）由（4-6）式可求得一周期內(nèi)的平均值IC2為：（4-7）（4-8）故在RL上產(chǎn)生的平均輸出電壓為：（4-9）顯然，將差動式電容式傳感器代替C1或C2，則傳感器電容量的變化引起電路輸出電壓的變化，進而實現(xiàn)測量目的。該電路的特點：①線路簡單②要求電源周期和幅值穩(wěn)定③輸出阻抗?。镽）④適用于單組式和差動式電容傳感器3、差動脈沖調(diào)寬電路

——電路如圖。它由兩個比較器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、兩個充放電回路組成。各點的電壓波形（如圖）（4-10）計算C1、C2的充電時間T1、T2（4-11）

顯然，若C1、C2為差動式電容傳感器，則被測量引起C1、C2變化，而U0隨之變化，實現(xiàn)測量目的。將平行板電容公式(C=εS/δ）代入上式，得輸出隨極距和面積變化公式為：（4-12）五、運算放大器式電路——電路如圖。（A式）顯然，極距與輸出電壓為線性關(guān)系，由于（A式）成立的條件是運放器的開環(huán)放大系數(shù)A=∞、輸入阻抗Zi=∞，所以仍存在非線性誤差，但當A放大系數(shù)和Zi輸入阻抗足夠大，誤差將減小。第三節(jié)主要性能、特點和設計要點一、主要性能（靜態(tài)性能）（1）靜態(tài)靈敏度性能靜態(tài)靜態(tài)靈敏度非線性①平板形變極距型（△x=△δ）因為：所以：其理論靈敏度：顯然，減小極板間距δ，可提高靈敏度，但過小易擊穿。②圓柱形變面積型因為：所以：顯然，其靈敏度取決于r2/r1，r2和r1越接近，靈敏度越高③差動式圓柱形變面積型——其輸出量為兩電容變化之差。即：所以：顯然，差動式比相應單組式的靈敏度提高一倍。（2）非線性對于平板形變極距型電容傳感器真實值：測量值：非線性誤差：二、特點●優(yōu)點1、溫度穩(wěn)定性好；（電容與介質(zhì)有關(guān)，而介質(zhì)的介電常數(shù)與溫度關(guān)系很?。?、結(jié)構(gòu)簡單，適應性強；（可在高低溫、強輻射等環(huán)境中應用）3、動態(tài)響應好；（電容極板可做成小而輕）4、可實現(xiàn)非接觸測量。（被測物為另一極）●缺點1、輸出阻抗高，帶負載能力差；2、受寄生電容影響大。三、設計要點（設計實用傳感器應注意的幾個問題）1、溫度濕度的影響機械尺寸變化→δ變化ε的變化→ε(T0C)→影響靈敏度溫度濕度介質(zhì)的絕緣性能變化，Rg變化濕度↑→Rg↓

濕度↓→Rg↑對變極距型δ0小，使空氣擊穿（加云母片防止擊穿）2、邊緣效應的影響

——邊緣效應即傳感器電容邊緣電場不均勻的現(xiàn)象。（如圖）它將直接影響傳感器的靈敏度，使傳感器靈敏度下降，非線性失真變大。減小邊緣效應的方法為：①盡量增大極板間的相對面積，減小極板間的間距(S↑,δ↓)；②盡量減薄極板厚度(t/δ<<1)；③采用等位環(huán)技術(shù)(如圖);④精確計算靜電場分布情況進行修正3、寄生電容的影響

——寄生電容是指引線、焊接點、測量電路等形成的總的分布電容CP。它與傳感器電容C0等效為并聯(lián)關(guān)系（C=CP+Co）。顯然它影響傳感器的精度。減小它的方法為：①盡量使Co>>CP；（依電容公式，S↑,δ↓）②注意傳感器的接地和屏蔽，盡量使用短的電纜線。（如圖）③集成化（電容傳感器與前置放大集成為一個芯片）④驅(qū)動電纜技術(shù)（雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)）運用一比一放大器使內(nèi)屏蔽層與芯線等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容效應產(chǎn)生的信號流失，實現(xiàn)傳感器與測量電路遠距離連接也不影響測量精度。⑤采用運算放大器法（近似驅(qū)動技術(shù)）⑥整體屏蔽（選擇合適的接地點）將電容式傳感器、轉(zhuǎn)換電路和傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，接地點選擇在兩個固定輔助阻抗臂Z3和Z4的中間，寄生電容CP1和CP2等效于與Z3和Z4相并聯(lián)，如果使Z3和Z4比CP1和CP2小很多（如變壓器電橋），則CP1和CP2的分流可略，故寄生電容影響就很小。4、防止和減小外界干擾①屏蔽和接地；②增加原始電容量，降低容抗；③連接導線要盡量短，導線與導線之間要遠離避免平行走線；④盡可能一點接地避免多點接地；⑤盡量采用差動式電容傳感器。第四節(jié)電容式傳感器舉例一、集成式電容傳感器——即將電容敏感元件與測量電路（轉(zhuǎn)換電路）制作在一起構(gòu)成。（一）基本類型及工作原理●基本類型加速度集成電容傳感器壓力集成電容傳感器●工作原理①加速度集成電容傳感器——電路如圖。它由三層多晶硅組成，頂層（第一層）和底層（第三層）固定不動，第二層作為懸臂梁。頂帽其作用是限制懸臂的移動范圍，防止懸臂因位移幅度過大而損壞傳感器?！駴]有加速度作用時，懸臂位于頂層和底層的中間，C1=C2，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)?！癞斢屑铀俣茸饔脮r，懸臂與頂層和底層之間產(chǎn)生位移，則一個電容量增加，另一個減小，其電容變化量與加速度成正比。②壓力集成電容傳感器——電路如圖。它由兩個電極，一個硅薄膜以及半導體硅和玻璃構(gòu)成的支架組成。硅薄膜是由兩面分別采用腐蝕方法腐蝕成多晶硅構(gòu)成。壓力作用在硅膜上，而發(fā)生形變，使電容器兩極板間距發(fā)生變化，因而引起電容量的變化，理論證明兩者為線性關(guān)系。（二）轉(zhuǎn)換電路加速度集成電容傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖。它由三個MOS開關(guān)、兩個差動電容（傳感器電容C1和C2）、一個反向器組成。（三）特點與應用(P82)（自學）二、容柵式傳感器（略）三、力平衡式電容傳感器——力平衡式電容傳感器是一種反饋式傳感器.對于傳感器也是一個輸入輸出系統(tǒng)，在自控原理中我們知道，若在一個輸入輸出系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）中引入反饋，而使其成為一個閉環(huán)系統(tǒng)，則其性能將得到改善。所以，對于傳感器若引入反饋，其穩(wěn)定性、非線性、頻率響應范圍都將得到改善。下面介紹。（一）閉環(huán)反饋式傳感器的原理和特點閉環(huán)傳感器系統(tǒng)框圖可簡化為：W0（s）——前向環(huán)節(jié)的傳輸系數(shù)；Wf（s）——反饋環(huán)節(jié)的傳輸系數(shù)。其中則整個閉環(huán)系統(tǒng)傳輸系數(shù)為：（4-22）若：|W0（s）Wf（s）|>>1則：W（s）=1|Wf（s）|即：閉環(huán)反饋式傳感器靜態(tài)增益取決于Wf

(s)（反饋環(huán)）依據(jù)自控原理知：●對于一階系統(tǒng)：●對于二階系統(tǒng)：閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)比開環(huán)系統(tǒng)小。閉環(huán)系統(tǒng)固有頻率比開環(huán)系統(tǒng)高。由上分析知閉環(huán)傳感器具有如下優(yōu)點：①精度高②靈敏度高③動態(tài)性能好（二）力平衡式加速度電容傳感器1、力平衡式加速度電容傳感器系統(tǒng)組成和工作原理

——電路如圖。它由慣性靈敏元件、位移傳感器、放大器和磁電式力矩器四部分組成。（4-23）2、傳遞函數(shù)——通過研究傳遞函數(shù)，分析此傳感器的特性。此傳感器的原理框圖為：●由于慣性敏感系統(tǒng)是典型的二階系統(tǒng)（如自控原理中P10），則其傳遞函數(shù)為：●而放大器和位移傳感器的傳遞函數(shù)為：A0●則前向環(huán)節(jié)的