1、1 第4章电容式传感器 1 优点 温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关 有利于选择温度系数低的材料 又因本身发热极小 影响稳定性甚微 而电阻传感器有铜损等 易发热产生零漂 第二节特点和应用中存在的问题 4 2 1特点 2 第4章电容式传感器 结构简单电容式传感器结构简单 易于制造 易于保证高的精度 可以做得非常小巧 以实现某些特殊的测量 能工作在高温 强辐射及强磁场等恶劣的环境中 可以承受很大的温度变化 承受高压力 高冲击 过载等 能测量超高温和低压差 也能对带磁工作进行测量 动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小 约几个10 5N 需要的作用能量极小 又由于它的可动
2、部分可以做得很小很薄 即质量很轻 因此其固有频率很高 动态响应时间短 能在几兆Hz的频率下工作 特别适用于动态测量 且其介质损耗小可以用较高频率供电 因此系统工作频率高 可用于测量高速变化的参数 3 第4章电容式传感器 4 第4章电容式传感器 5 第4章电容式传感器 6 第4章电容式传感器 7 第4章电容式传感器 图中C为传感器电容 Rp为低频损耗并联电阻 它包含极板间漏电和介质损耗 Rs为高湿 高温 高频激励工作时的串联损耗电组 它包含导线 极板间和金属支座等损耗电阻 L为电容器及引线电感 Cp为寄生电容 克服其影响 是提高电容传感器实用性能的关键之一 下面专门讨论 可见 在实际应用中 特别
3、在高频激励时 尤需考虑L的存在 会使传感器有效电容 图4 9电容传感器的等效电路 8 4 21 4 22 第4章电容式传感器 9 4 23 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性 为了消除边缘效应的影响 可以采用带有保护环的结构 如图4 10所示 保护环与定极板同心 电气上绝缘且间隙越小越好 同时始终保持等电位 以保证中间工作区得到均匀的场强分布 从而克服边缘效应的影响 为减小极板厚度 往往不用整块金属板做极板 而用石英或陶瓷等非金属材料 蒸涂一薄层金属作为极板 第4章电容式传感器 10 图4 10带有保护环的电容传感器原理结构 第4章电容式传感器 3 静电引力电容式传感器两极板
4、间因存在静电场 而作用有静电引力或力矩 静电引力的大小与极板间的工作电压 介电常数 极间距离有关 通常这种静电引力很小 但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下 须考虑因静电引力造成的测量误差 11 第4章电容式传感器 4 寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制 其电容量都很小 几pF到几十pF 属于小功率 高阻抗器件 因此极易受外界干扰 尤其是受大于它几倍 几十倍的 且具有随机性的电缆寄生电容的干扰 它与传感器电容相并联 见图4 9 严重影响感器的输出特性 甚至会淹没有用信号而不能使用 消灭寄生电容影响 是电容式传感器实用的关键 驱动电缆法它实际上是一种等电位屏蔽法 如图4 11所示 在电
5、容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆 并接入增益为1的驱动放大器 接线如图示 12 第4章电容式传感器 这种接线法使内屏蔽与芯线等电位 消除了芯线对内屏蔽的容性漏电 克服了寄生电容的影响 而内 外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载 因此驱动放大器是一个输入阻抗很高 具有容性负载 放大倍数为1的同相放大器 该方法的难处是 要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1 且输出与输入的相移为零 为此有人提出 用运算放大器驱动法取代上述方法 图4 11驱动电缆法原理图 13 图4 12整体屏蔽法原理图 第4章电容式传感器 14 第4章电容式传感器 15 第4章电容式传感器 16 第4章电容式传
6、感器 在设计电容式传感器时 适当选择材料及有关结构参数 可以满足温度误差补偿要求 温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而异 空气及云母的介电常数温度系数近似为零 而某些液体介质 如硅油 蓖麻油 煤油等 其介电常数的温度系数较大 例如煤油的介电常数的温度系数可达0 07 若环境温度变化 50 则将带来7 的温度误差 故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差 17 第4章电容式传感器 电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后 必须采用测量电路将其转换为电压 电流或频率信号 4 3 1 变压器电桥 如图4 13所示 C C2为传感器的两个差动电容 电桥的空载输出电压为 第三节测量电路 4
7、 24 18 图4 13变压器电桥 对变极距型电容传感器 代入上式得 第4章电容式传感器 19 第4章电容式传感器 20 第4章电容式传感器 4 25 图4 14双T二极管交流电桥 21 4 26 第4章电容式传感器 22 第4章电容式传感器 该电路适用于各种电容式传感器 它的应用特点和要求 1 电源 传感器电容 负载均可同时在一点接地 2 二极管D1 D2工作于高电平下 因而非线性失真小 3 其灵敏度与电源频率有关 因此电源频率需要稳定 4 将D1 D2 R1 R2安装在C1 C2附近能消除电缆寄生电容影响 线路简单 5 输出电压较高 4 3 3 脉冲调宽电路图4 15为一种差动脉冲宽度调制
8、电路 23 第4章电容式传感器 当接通电源后 若触发器Q端为高电平 U1 端为低电平 0 则触发器通过R1对C1充电 当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时 比较器IC1产生一脉冲使触发器翻转 从而使Q端为低电平 端为高电平 U1 此时 由电容C1通过二极管D1迅速放电至零 而触发器由端经R2向C2充电 当G点电位UG与参考电压Ur相等时 比较器IC2输出一脉冲使触发器翻转 从而循环上述过程 图4 15差动脉冲调宽电路 24 第4章电容式传感器 可以看出 电路充放电的时间 即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1 C2调制 当C1 C2时 各点的电压波形如图4 16 a 所示 Q和两端电平的脉冲宽
9、度相等 两端间的平均电压为零 当C1 C2时 各点的电压波形如图4 16 b 所示 Q 两端间的平均电压 经一低通滤波器 为 4 27 式中 T1和T2分别为Q端和端输出方波脉冲的宽度 亦即C1和C2的充电时间 25 第4章电容式传感器 26 第4章电容式传感器 27 第4章电容式传感器 4 3 4 运算放大器电路这种电路不需要载频和附加解调线路 无波形和相移失真 输出信号只需要通过低通滤波器引出 直流信号的极性取决于C1和C2 对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出 这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起 从而使传输误差和干扰大大减小 图4 17为其电原理图 C1为传感器电容 它跨接在
10、高增益运算放大器的输入端和输出端之间 放大器的输入阻抗很高 Zi 因此可视作理想运算放大器 其输出端输出一与C1成反比的电压U0 即 4 30 28 图4 17运算放大器电路 第4章电容式传感器 式中Ui为信号源电压 C0为固定电容 要求它们都很稳定 对变极距型电容传感器 C1 0 rA 式 4 30 可写为 29 4 31 第4章电容式传感器 30 第4章电容式传感器 随着电容式传感器应用问题的完善解决 它的应用优点十分明显 1 分辨力极高 能测量低达10 7的电容值0 01 m的绝对变化量和高达 C C 100 200 的相对变化量 因此尤适合微信息检测 2 动极质量小 可无接触测量 自身
11、的功耗 发热和迟滞极小 可获得高的静态精度和好的动态特性 3 结构简单 不含有机材料或磁性材料 对环境 除高湿外 的适应性较强 4 过载能力强 31 第4章电容式传感器 图4 18电容式位移传感器1 测杆 2 开槽簧片 3 固定电极 4 活动电极 32 图4 19电容式挠性加速度传感器 第4章电容式传感器 33 第4章电容式传感器 图4 19所示为电容式传感器及由其构成的力平衡式挠性加速度计 敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成 并由石英挠性梁弹性支承 其稳定性极高 固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构 两极面均镀金属膜形成电极 由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式
12、力发生器 互为推挽结构 这大大提高了磁路的利用率和抗干扰性 工作时 质量组件敏感被测加速度 使电容传感器产生相应输出 经测量 伺服 电路转换成比例电流输入力发生器 使其产生一电磁力与质量组件的惯性力精确平衡 迫使质量组件随被加速的载体而运动 此时 流过力发生器的电流 即精确反映了被测加速度值 34 第4章电容式传感器 在这种加速度传感器中 传感器和力发生器的工作面均采用微气隙 压膜阻尼 使它比通常的油阻尼具有更好的动态特性 典型的石英电容式挠性加速度传感器的量程为0 150m s2 分辨力1 10 5m s2 非线性误差和不重复性误差均不大于0 03 F S 4 4 3电容式力和压力传感器图4
13、 20所示为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器 扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板 称重时 弹性元件受力变形 使动极板位移 导致传感器电容量变化 从而引起由该电容组成的振荡频率变化 频率信号经计数 编码 传输到显示部分 35 图4 20电容式称重传感器 第4章电容式传感器 图4 21电容式传感器1 动极板 2 定极板 3 绝缘材料 4 弹性体 5 极板支架 36 第4章电容式传感器 图4 21为一种典型的小型差动电容式压差动传感器结构 加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件 同时作为可变电容的活动极板 电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片 在压差作用下 膜片凹向压力小的一面 导致电容量发生变化 球面极片 图中被夸大 可以在压力过载时保护膜片 并改善性能 其灵敏度取决于初始间隙 越小 灵敏度越高 其动态响应主要取决于膜片的固有频率 这种传感器可与图4 15所示差动脉冲调宽电路相联构成测量系统 37
