第四章电容传感器2课件.pptVIP

2002/12总结 CH4 电容式传感器 1传感器的工作原理及结构类型 2信号调理电路 3电容式传感器的应用举例 4容栅式传感器 5电容式集成传感器 电容式传感器的工作原理、类型和特点 电容式传感器的应用 电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。 可见只有当 很小时，才可认为 即在任何中性点附近，电容量的相对变化与位移的相对变化成正比。只有比值?δ/δ 很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。 实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。 差动变极距型传感器 在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙δ1变为δ 0-Δ δ ，电容器C2的间隙δ 2变为δ 0+Δ δ, 则 变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。 变面积型电容传感器的灵敏度为常数，即输入输出为线性关系，但与变极距相比，灵敏度降低，广泛用于较大的直线位移和角位移的测量。 变介电常数式电容传感器也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤炭等固体介质的温度或湿度，当被测介质受到外界温度或湿度影响时，其介电常数发生变化，从而引起电容量发生变化 4.2 信号调理电路（也称测量电路） 电容式传感器输出的电容量以及电容的变化量都比较小，不能直接驱动显示记录仪器，也不便于传输，必须借助于信号调理电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成正比的的电压、电流或者频率的变化。 运算放大电路 电桥电路 调频电路 双T形电路 脉冲调宽电路 设变压器次级线圈的感应电势为u/2，电桥后接放大器的输入阻抗RL→∞，则电桥输出电压为 电容传感器引起测量误差的因素及改进 1 温度影响 温度对介电常数的影响： 空气、云母的介电常数的温度系数为零，以它们作为介质 2电容电场边缘效应的影响 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，因此应尽量消除或减小它。 3寄生电容和分布电容的影响 寄生电容、分布电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。 5材料的绝缘性能 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的绝缘性能,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。 传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。 传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。 4.2.1运算放大器式电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的信号调理电路。运算放大器式电路原理图, 图中Cx为电容式传感器电容；u是交流电源电压; uo是输出信号电压; Σ是虚地点。 . . 图4.8 运算放大器式电路原理图 cb I C u Σ i I