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传感器原理 孟立凡蓝金 辉cgq5

传感器原理 孟立凡蓝金 辉cgq5


第 5章
5.1 5.2 5.3

电容式传感器
电容式传感器

电容式传感器的输出电路及等效电路 5.4 电容式传感器的应用

影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施

? 概念:电容式传感器是将被测非电量的变化转 概念: 换为电容量变化的一种传感器。 换为电容量变化的一种传感器。 ? 特点:结构简单、高分辨力、可非接触测量, 特点:结构简单、高分辨力、可非接触测量, 并能在高温、 并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工 这是它的独特优点。 作,这是它的独特优点。随着集成电路技术和 计算机技术的发展,促使它扬长避短, 计算机技术的发展,促使它扬长避短,成为一 种很有发展前途的传感器。 种很有发展前途的传感器。 ? 应用:位移、加速度、液位、振动及湿度等。 应用:位移、加速度、液位、振动及湿度等。

5.1电容式传感器 5.1电容式传感器
5.1.1基本工作原理 5.1.1基本工作原理
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合 电容是由两个金属平行极板组成,并且以空气为介质, 下,电容是由两个金属平行极板组成,并且以空气为介质, 如图所示。 如图所示。两个平行板组成的电容器的电容量为

C=

εA
d

A d

=

ε 0ε r A
d

ε

ε0是真空介电常数,值为 是真空介电常数,值为8.85×10-12F/m × εr为相对介电常数。 为相对介电常数。



当被测参数变化使得式中的A,ε或 发生变化时, 当被测参数变化使得式中的A,ε或d发生变化时, A,ε 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换 为电容量的变化, 为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输 出。 ※ 因此, 电容式传感器可分为变极距型、 因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积 型和变介质型三种类型。 型和变介质型三种类型。 ※ 改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数 量级的位移, 量级的位移,而变化面积A的传感器则适用于测量 厘米数量级的位移, 厘米数量级的位移,变介电常数式电容式传感器适 用于液面、厚度的测量。 用于液面、厚度的测量。

变极距(d)型 (a)、 变极距(d)型: (d) (a)、(e) 变面积型(S) (S)型 (b)、(c)、(d)、(f)、 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) (h) 变介电常数(ε )型 )~(l) 变介电常数(ε )型: (i)~(l)

5.1.2电容式传感器的线性及灵敏度 5.1.2电容式传感器的线性及灵敏度
1.变极距(间距) 1.变极距(间距)型电容传感器 变极距
C

1

1

1

d d 2 2 3 2

?d

0

d0

?C

d d

C0

d

极板面积为A,初始距离为 以空气为介质( 极板面积为 ,初始距离为d0,以空气为介质(εr=1), ), 电容器的电容为
C
0=

ε

0

A
0

d



减小? ,其电容量增加? , 若电容器极板距离初始值 d0减小?d,其电容量增加?C,
1 C 0+ ? C = = C0 ?d d 0 ? ?d 1? d0

ε0A

由上式, 由上式,电容的相对变化量为
?C ?d ? d ?1 = (1 ? ) C0 d0 d0

因为 ?d / d 0 << 1

,按幂级数展开得
? ? ? ?
2

? ?d ?C ?d ? ?d ?1 + = + ? ? d C0 d0 ? d0 ? 0 ?

? ?d + ? ? d ? 0

? ? ? ?

3

? + L? ? ?

略去非线性项(高次项),则得近似的线性关系式 略去非线性项(高次项),则得近似的线性关系式 ),
? C C 0 ≈ ? d d 0

而电容传感器的灵敏度为
K = ?C 1 / ?d = C0 d0

的物理意义是: 电容式传感器灵敏度系数K的物理意义是:单位位移引起 的电容量的相对变化量的大小。 的电容量的相对变化量的大小。

略去高次项(非线性项) 略去高次项(非线性项)引起的相对非线性 误差为
?d ?d ? ?d ?1 + ? d0 d0 ? d0 ?C- ?C ′ ? δ = = ?d ?C d0 ? ? ? ? ?d × 100 % d0

=

可见极间距越小,既有利于提高灵敏度, 可见极间距越小,既有利于提高灵敏度,又 有利于减小非线性。但 d0过小时,容易引起电容 有利于减小非线性。 过小时, 器击穿。在实际应用中,为提高灵敏度, 器击穿。在实际应用中,为提高灵敏度,减小非 线性,大都采用差动结构。 线性,大都采用差动结构。改善击穿条件的办法 是在极板间放置云母片等介电材料。 是在极板间放置云母片等介电材料。

(1)差动变间隙式的电容传感器 在差动式电容传感器中, 其中电容器 C1 的电容随位移 在差动式电容传感器中, 的减小而增大时, 的电容则随着Δ Δd的减小而增大时,另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大 而减小。 而减小。
c1 = c 0 1 ?d 1 ? d0

c2 = c0

1 ? d 1 + d 0

它们的特性方程分别为

? ? ?d ? ? ?d ? 2 ? ?d ?3 ? C1 = C0 ?1+? ? d ? + ? d ? + ? d ? + L? ? ? ? ? ? ? ? 0 ? ? 0 ? ? 0 ? ? ? ?

? ? ?d ? ? ?d ?2 ? ?d ?3 ? C2 = C0 ?1 ? ? ? + ? ? ? ? ? + L? ? ? ? ? ? ? ? ? d 0 ? ? d 0 ? ? d0 ? ? ? ?

总的电容变化量

? ?d ? ?d ?3 ? ?C = C1-C2 = C0 ?2 + 2? ? + L? ?d ? ? d0 ? ? 0? ? ?
2 4 ? ? ?d ? ?C ′ ?d ? ? ?d ? ?1 + ? ? ? ? ? =2 ? d ? + ? d ? + L? C0 d0 ? ? 0 ? ? 0 ? ? ?

电容的相对变化量为

略去高次项, 略去高次项,近似成线性关系

?C C 0



2?d d 0

差动电容式传感器的灵敏系数为
K′= ?C C0 ?d = 2 d 0

差动电容式传感器的相对非线性误差近似为
2 (? d d 0 )3 2 (? d d 0 ) ? ?d =? ?d ? 0 ? ? × 100 % ? ?
2

δ ′=

差动式比单极式灵敏度提高一倍, 差动式比单极式灵敏度提高一倍,且非线性误差大为减 小。由于结构上的对称性,它还能有效地补偿温度变化所 由于结构上的对称性, 造成的误差。 造成的误差。?

(2)固定介质与可变间隙式电容传感器 减小极间隙可提高灵敏度,但易击穿。为此, 减小极间隙可提高灵敏度,但易击穿。为此,经常 在两极板间加一层云母或塑料等介质, 在两极板间加一层云母或塑料等介质,以改变电容的耐压 性能。 性能。由此构成如图所示的固定介质与可变间隙式电容传 感器。 感器。 动极板
d1 d2 空气 ε 0=1 固定 介质 定极板

ε2

由关 系

C =

C 1C 2 C 1+ C

C
2

,

1

=

ε 0ε 1 A
d
A d
1

C

2

=

ε 0ε
d

2 2

A

,

,

C

=

ε
d

0

ε

1 1

+

ε

2 2

当空气隙减小 ?d1 ,使电容增加 ?C ,有
C+ ?C =

ε0A
d 1 ? ?d 1 + d 2 ε 2

? ? d1 + d 2 ε 2 ? ?C = C ? ? 1? ? ? d 1 ? ?d 1 + d 2 ε 2 ?

电容的相对变化量为

?d1 ?C 1 = N1 C d1 + d 2 1- N 1 ? d 1 /( d 1 + d 2 )

其中

N

1

=

d1 + d 2 d1 + d 2 / ε

2

即位移很小时, 当N1Δd1/(d1+d2)<1,即位移很小时,上式按幂级数展开可 写成
?C = N C
1

?d1 ? ?1 + N d ? ?

1

?d1 ? + ?N ? d ?

1

?d1 d

? ? ? ?

2

? +L? ? ?

式中d1+d2=d

略去高次项可近似得到
? C C ≈ N
1

? d d

1

其中

N

1

=

d1 + d 2 d1 + d 2 / ε

2

可见N 为非线性因子,若增大N 非线性增加。 可见 1为非线性因子,若增大 1,非线性增加。设固定介 质与可变间隙电容式传感器的灵敏度系数为
N1 ?C C K = = ?d1 d

同时, 又是灵敏度因子, 同时,N1又是灵敏度因子,并且作为灵敏度因子与非线 性因子是相互制约的。 性因子是相互制约的。

如图所示曲线,厚度比( 为自变量, 如图所示曲线,厚度比(d2/d1)为自变量,固定介 作参变量, 质的介电常数ε2作参变量,看影响灵敏度和线性度的因 的变化。 子N1的变化。
10 8 6 4 2 1 0.1 0.2 0 .5 1 2 d 2/d 1 5 10 20 50

Ν1

ε 2 =10

ε 2 =5
4 3 2 1 100

N

1

=

d1 + d 2 d1 + d 2 / ε

2

总是大于1的 所以N 总是大于1的 因为ε2总是大于 的,所以 1总是大于 的。又因为 很大时, ε2>1,随厚度比 2/d1增加,N1增加。在d2/d1很大时,N1 ,随厚度比d 增加, 增加。 不变时, 增加, 增加。 的极限为ε2,在d2/d1不变时,随ε2增加,N1增加。

云母片的相对介电常数是空气的7倍 云母片的相对介电常数是空气的 倍, 其击穿电压不小于 1000 kV/mm, 而空气的仅为 而空气的仅为3kV/mm。 因此有了云母片 极板 。 因此有了云母片, 间起始距离可大大减小。 间起始距离可大大减小。? 一 般 变 极 板 间 距 离 电 容 式 传 感 器 的 起 始 电 容 在 20 ~ 100pF之间 极板间距离在 ~200?m的范围内 最大位移应小 之间, 极板间距离在25~ 的范围内, 之间 的范围内 于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。 故在微位移测量中应用最广。 于间距的

2.变面积型电容传感器 2.变面积型电容传感器
1 1 2 2 2 2 (a) (b) (c) (d) 3 1 1

板状线位移变面积型

(1)线位移式电容传感器 极板起始覆盖面积为A = a×b,沿活动极板长度方向移 则改变了两极板间覆盖的面积,忽略边缘效应, 动Δa,则改变了两极板间覆盖的面积,忽略边缘效应,改 变后的电容量为
C′ =

ε b(a ? ?a )
d

= C0 ?

εb
d

?a

电容的变化量为
?C = C ? C ′ =

εb
d

?a = C 0

?a a

灵敏度为

KC =

?C / C 0 1 = ?a a

为常数, 灵敏度系数KC为常数,可见减小极板的起始覆盖长度a 可提高灵敏度, 无关。 可提高灵敏度,而极板宽度b与灵敏度系数KC无关。但a不能 太小, 太小,必须保证a>>d,否则边缘处不均匀电场的影响将增 大。 平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平 行度要求高, 变化,影响测量精度。 行度要求高,稍有倾斜会导致极距d变化,影响测量精度。 因此在一般的情况下, 因此在一般的情况下,变面积式的电容传感器常作成圆柱式 的。

同心圆筒形线位移电容式传感器

(2)圆柱式线位移电容传感器 ) 在不计边缘效应影响时, 在不计边缘效应影响时,圆柱式的电容器的电容量为

2πε l C = ln (r 2 r1

)

式中 l ——外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度; 外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度; 外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度 r2——外圆柱内径; 外圆柱内径; 外圆柱内径 r1——内圆柱外径。 内圆柱外径。 内圆柱外径

动极(圆柱)沿轴线移动? 时 动极(圆柱)沿轴线移动?l时,电容的变化量为

2πε?l ?l ?C = =C ln(r2 / r1 ) l
若采用差动结构,动极向上移动 , 若采用差动结构,动极向上移动?l,则上面部分的电容量 Ca增加,下面部分的电容量 b减少,使输出为差动形式,有 增加,下面部分的电容量C 减少,使输出为差动形式,

2πε (l + ?l) 2πε (l ? ?l) ?l ?C = Ca ? Cb = ? = 2C l ln(r2 / r1) ln(r2 / r1)
比较可以看出,采用差动式结构,电容变化量增加一倍, 比较可以看出,采用差动式结构,电容变化量增加一倍, 则灵敏度也提高一倍。 则灵敏度也提高一倍。

角位移变面积型

(3)角位移式电容传感器 设两半圆极板重合时, 设两半圆极板重合时,电容量为
C =

εS
d

=

ε πr 2
2d

动极2 动极2转过 ? θ 角,电容量变为
C′ =

ε r 2 (π ? ?θ) ε S(1? ?θ / π)
2d = d
?θ π

=C ?C

?θ π

则有电容变化量为
?C = C ′ ? C = C

则灵敏度系数为
K
C

?C / C 1 = = ?θ π

?

综合上述分析, 综合上述分析,变面积式电容传 感器不论被测量是线位移还是角位移, 感器不论被测量是线位移还是角位移, 位移与输出电容都为线性关系( 位移与输出电容都为线性关系(忽略 边缘效应),传感器灵敏系数为常数。 ),传感器灵敏系数为常数 边缘效应),传感器灵敏系数为常数。

3. 变介电常数型电容式传感器
厚度为d 的介质( 在电容器中移动时, 厚度为 2的介质(介电常数为ε2)在电容器中移动时,电 容器中介质的介电常数(总值)改变使电容量改变, 容器中介质的介电常数(总值)改变使电容量改变,于是可 用来测量位移x。 用来测量位移 。有C = C A + C B, = d 1 + d 2 ,无介质ε2时,有 d
C 0 = ε 1bl / d
CA CB

ε2
x x l

ε1

d2

当介质ε2移进电容器中x长度时,有 移进电容器中 长度时, 长度时
C
A

=

bx d
1 1

d1

ε

+

d

2 2

ε

C B = b (l ? x )

1 d / ε1

C 0 = ε 1bl / d

? ? ? ? ? ? ? ? ε ε ε2 xd ? d 1 1? 1 C = CA + CB=bl 1 + bx? ? ? = C0 + C0 ? ?1? ? 1 ? = C0 + C0 ? ? d1 d2 d ? ? d l ? d1ε 2 + d2ε1 d ? l ? d + ε1 d ? ? ?ε +ε ? ? 1 ε 2 ? 2 ? ? ? 1 2 ?

设式中

? 1? d A= ? ?1? l ? d1 +ε1 ε2 ? ? ?

则有

C = C 0 (1 + Ax

)

因式中A是常数,电容量C与位移量 成线性关系。 与位移量x成线性关系 因式中 是常数,电容量 与位移量 成线性关系。上述 是常数 结论均忽略了边缘效应。实际上,由于边缘效应, 结论均忽略了边缘效应。实际上,由于边缘效应,将有非线 为此,并使灵敏度下降。 性,为此,并使灵敏度下降。 变介电常数式电容传感器中的极板间存在导电物质, 变介电常数式电容传感器中的极板间存在导电物质,极 板表面应涂绝缘层,防止极板短路,如涂厚度为0.1mm的聚 板表面应涂绝缘层,防止极板短路,如涂厚度为 的聚 四氟乙烯薄膜。 四氟乙烯薄膜。

这种常用的结构型式可以用来测量纸张、 这种常用的结构型式可以用来测量纸张、 绝缘薄膜等的 厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、 厚度 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介 质的湿度。 质的湿度。

右图是一种变极板间介质的 电容式传感器用于测量液位高低 的结构原理图。 的结构原理图。 设被测介质的介电常数为ε 设被测介质的介电常数为 1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 液面高度为 变换器总高度为 内筒外径为d, 外筒内径为D, 内筒外径为 外筒内径为 则此 时变换器电容值为

2πε1h 2πε ( H ? h) c= + D D ln ln d d

2πεH 2πh (ε1 ? ε ) = + D D ln ln d d

2πεH 2πh(ε 1 ? ε ) + C= D D ln ln d d
式中: 空气介电常数; 式中:ε——空气介电常数 ? 空气介电常数

2πεH C0= D ln d

C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值

2π (ε 1 ? ε ) ? h ?C=C - C0 = D ln d
可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 可见 此变换器的电容增量正比于被测液位高度 。

5.2电容式传感器的输出电路及等效电路 5.2电容式传感器的输出电路及等效电路
5.2.1等效电路 5.2.1等效电路
以上对各种电容传感器的特性分析, 以上对各种电容传感器的特性分析,都是在纯电容的条件 下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。 下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。 若考虑电容传感器在高温、 若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可 忽视其附加损耗和电效应影响时,其等效电路如图所示。 忽视其附加损耗和电效应影响时,其等效电路如图所示。
L A RP C R

B

C为传感器电容, 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; 为低频损耗并联电阻, Rp为低频损耗并联电阻,它包含极板间漏电和介质损耗; 为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组, R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; 导线、极板间和金属支座等损耗电阻; 为电容器及引线电感; L为电容器及引线电感;

当不考虑R 当不考虑 P时,有

1 1 = jωL + +R jωC e jωC

传感器的等效电容; 式中 Ce——传感器的等效电容; 传感器的等效电容 电源角频率( 电源角频率 π) ω——电源角频率(ω=2πf)。 由于传感器自身的电容量(包括寄生电容)很小,电源频 由于传感器自身的电容量( 包括寄生电容) 很小, 率又很高(几兆赫) 故容抗( 率又很高( 几兆赫),故容抗(1/jωC)很大 ,相比之下,电 ) 很大,相比之下, 的影响可忽略, 阻R的影响可忽略,则有 的影响可忽略 C Ce = 1 ? ω 2 LC 有效电容的增量为微分

?Ce =

?C (1 ? ω 2 LC) 2

有效电容的相对变化量为
?C e ?C 1 = ? Ce C 1 ? ω 2 LC

电容传感器的有效灵敏度系数为
?Ce / Ce Kc Ke = = ?d 1 ? ω 2 LC

可以得出如下结论: 可以得出如下结论:电容传感器的有效灵敏度系数 项有关, 变化。 与 ω 2 LC 项有关,随ω 和L变化。电容传感器工作与标 变化 定的条件应相同:电源频率不变,引线长度不能改变。 定的条件应相同:电源频率不变,引线长度不能改变。 引线长度改变需对电容式传感器的有效灵敏度重新标定。 引线长度改变需对电容式传感器的有效灵敏度重新标定。 上面各式的成立条件为电源频率在兆赫左右, 上面各式的成立条件为电源频率在兆赫左右,此时有效 灵敏度系数高于电容器本身的灵敏度系数。 灵敏度系数高于电容器本身的灵敏度系数。

5.2.2电容式传感器的输出电路 5.2.2电容式传感器的输出电路
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于 测量电路检出这一微小电容增量, 测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成 单值函数关系的电压、电流或者频率。 单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有 调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、 调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、 脉冲宽度调制电路等。 脉冲宽度调制电路等。

1.交流电桥(调幅电路) 1.交流电桥(调幅电路) 交流电桥 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容) 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或 两个相邻臂,另两个臂可以是电阻或电容或电感, 两个相邻臂,另两个臂可以是电阻或电容或电感,也可是变压器的两 个二次线圈。 个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度 和稳定性,且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地, 和稳定性,且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地,适 合于高频电源下工作。 合于高频电源下工作。 而变压器式电桥使用元件最少,桥路内阻最小, 而变压器式电桥使用元件最少,桥路内阻最小,因此目前较多采 它的输出电压 的幅值与被测量成正比, 用。它的输出电压Usc的幅值与被测量成正比,这种电路又称做调幅电 路。

当交流电桥处于平衡位置时, 当交流电桥处于平衡位置时,电容传感器起始电容量C1与 相等,两者容抗相等(忽略电容器内阻)。 C2相等,两者容抗相等(忽略电容器内阻)。

Z1 = Z 2

1 1 = jω C 1 jω C 2

电容传感器工作在平衡位置附近,有电容变化量输出时 电容传感器工作在平衡位置附近, C1≠C2,则Z1≠Z2,根据式
C1′ =

εA
d + ?d

′ C2 =

εA
d ? ?d

次极线圈感应电动势为E, 次极线圈感应电动势为 ,则传感器没工作时空载输出电 压为
& U sc & & E1 + E 2 & & Z ? Z2 = Z1 ? E = E 1 Z1 + Z 2 Z1 + Z 2

工作时
Z1 = 1 d + ?d = jω C 1 j ωε A Z2 = 1 d ? ?d = jω C 2 j ωε A

U&

sc

& ?d = E d

可见电桥输出电压除与被测量变化?d有关外, 可见电桥输出电压除与被测量变化 有关外,还与电桥 有关外 电源电压有关,要求电源电压采取稳幅和稳频措施。 电源电压有关,要求电源电压采取稳幅和稳频措施。因电桥 输出电压幅值小,输出阻抗高( ? ),其后必须接高输 输出电压幅值小,输出阻抗高(M?级),其后必须接高输 入阻抗放大器才能工作。 入阻抗放大器才能工作。

2.运算放大器式电路 . 将电容传感器接于放大器反馈回路, 将电容传感器接于放大器反馈回路,输入电路接固 定电容。构成反相放大器。 定电容。构成反相放大器。能克服变极距型电容式传感 器的非线性。 器的非线性。 由运算放大器工作原理可知,在开环放大倍数为- 由运算放大器工作原理可知,在开环放大倍数为- A和输入阻抗较大的情况下,有 和输入阻抗较大的情况下, 和输入阻抗较大的情况下
u sc = ?

若把Cx=εA/d代入 若把 代入
u sc

1 /j ωC x C u=? u 1 /j ωC Cx
u

电容传 感器 C x C

Σ

-A
u sc

Cd =? u εA

式中,负号表示输出电压 与电源电压u相位相反 相位相反。 式中,负号表示输出电压usc与电源电压 相位相反。 可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极 距型电容传感器的非线性。上述电路要求电源电压稳定, 距型电容传感器的非线性。上述电路要求电源电压稳定, 固定电容量稳定,并要放大倍数与输入阻抗足够大。 固定电容量稳定,并要放大倍数与输入阻抗足够大。

? 本节重点: 本节重点: 1.掌握电容式传感器的工作原理与分类 . 2.熟悉几种常用测量电路的特点 .
? 思考题 1、简述电容式传感器的工作原理与分类。 、简述电容式传感器的工作原理与分类。 2、试比较本章讲述的几种常用测量电路的特点。 、试比较本章讲述的几种常用测量电路的特点。

3. 调频测量电路 调频测量电路? 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就 发生变化。 发生变化。 虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 虽然可将频率作为测量系统的输出量 量的大小, 但此时系统是非线性的 不易校正 因此加入鉴频器 量的大小 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 将频率的变化转换为振幅的变化 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。 所示。 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如下图 所示。

图中调频振荡器的振荡频率为

f =

1 2π ( LC )
1 2

式中: L——振荡回路的电感 ? 振荡回路的电感; 式中 振荡回路的电感 C——振荡回路的总电容,C=C1+Ci+C0±?C。 其中 振荡回路的总电容, 振荡回路的总电容 。 其中, C1为振荡回路固有电容 为振荡回路固有电容; Ci为传感器引线分布电容 为传感器引线分布电容; C0±?C为传感器的电容。 为传感器的电容。

当被测信号为0时, ?C =0, 则C =C1+Ci+C0, 所以振荡器有 一个固有频率f0: ?? ??

f0 =

1 2π [(C1 + Ci + C0 ) L]
1 2

当被测信号不为 0 时, ??C≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为

f =

1 2π [(c1 + ci + c0 ) L]
1 2

= f 0 ± ?f

调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度 可以测至 ?m级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机 级位移变化量。 级位移变化量 通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控。 通讯 抗干扰能力强 可以发送、接收以实现遥测遥控。

当接通电源后,若触发器Q端为高电平( 当接通电源后,若触发器Q端为高电平(U1),Q 端为低电 4.差动脉宽调制电路 (0),则触发器通过R对 充电; 点电位U 平(0),则触发器通过 对C1充电;当F点电位 F升到大于 它的工作原理是传感器的电容器充放电时, 它的工作原理是传感器的电容器充放电时,电容量 参考电压U 比较器IC 产生一脉冲使触发器翻转, 参考电压 r时,比较器 1产生一脉冲使触发器翻转,从而 __ 的变化使电路输出的脉冲宽度随之变化, ,电容 通过 的变化使电路输出的脉冲宽度随之变化,经低通滤波器 端为低电平, 端为高电平( 翻转后, 使Q端为低电平, Q 端为高电平(U1)。__ 翻转后 电容C1 得到与被测量变化相应的直流信号。 得到与被测量变化相应的直流信号。 端经R 二极管D 迅速放电至零, 充电; 二极管 1迅速放电至零,而触发器由 Q 端经 2向C2充电; 点电位U 大于参考电压U 比较器IC 当G点电位 G大于参考电压 r时,比较器 2输出一脉冲再 使触发器翻转,从而循环上述过程。 使触发器翻转,从而循环上述过程。?

__

D1 Ur IC1 IC2 Rd Sd
双稳态 触发器

U1 AQ


R R

B

Q

C1 C2

F
滤波 器

G

比较器的输出控制双稳态触发器的状态。 比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器 D2 的输出提供差动电容器的电压。 的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的 翻转。 翻转。

?

可以看出,电路充放电的时间, 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C 调制。 的宽度受电容 1、C2调制。当C1=C2时,各点的电压波形如 下中图所示, 两端电平的脉冲宽度相等 两端电平的脉冲宽度相等, 下中图所示,AB两端电平的脉冲宽度相等,两端间的平均 电压为零。当差动电容C 电压为零。当差动电容 1 ≠ C2, 且C1>C2时,各点的电压波 所示, 形如下右图 所示,则τ1 = R1 C1>τ2 = R2 C2 。由于充放电时 间常数变化, 使电路中各点电压波形产生相应改变。 间常数变化 使电路中各点电压波形产生相应改变。

τ1 = R1 C1

τ2=R2C2

图中C1充电速度慢于C2充电速度,UA持续时间长于UB的持续时间。 图中C 充电速度慢于C 充电速度, 持续时间长于U 的持续时间。

的变化由被测量变化引起。 C1与C2的变化由被测量变化引起。经A与B 两端输出电压 UAB,再经低通滤波器得到一个由被测量变化决定的直流电压Usc, 表示为
T1 T2 T1-T2 Usc = U A-U B = U1- U1 = U1 T1+T2 T1+T2 T1+T2
T 1 = R 1 C 1 ln U1 U1 ?U
r

T 2 = R 2 C 2 ln

U1 U 1 ?U

r

因R1 = R2 = R,则有
U sc C1 ? C 2 = U1 C1 + C 2

可见, 可见,输出电压与传感器电容变化的变化量代数和成正比 为差动式)。此电路要求直流电源电压稳定性要高, )。此电路要求直流电源电压稳定性要高 (C1与C2为差动式)。此电路要求直流电源电压稳定性要高, 输出电压信号一般为0.1 1MHz的矩形波 0.1~ 的矩形波, 输出电压信号一般为0.1~1MHz的矩形波,再配一低通滤波器就 可以得到直流信号。 可以得到直流信号。

把平行板电容的公式代入上式, 把平行板电容的公式代入上式,在变极板距离的情况下 可得 d ?d

u AB =

2

1

d1 + d 2

U1

式中d 分别为C 极板间距离。 式中 1、d2分别为 1、C2极板间距离。 ? 当差动电容C 当差动电容 1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0时, uAB = 0; 若C1≠ C2, 设C1 > C2, 即d1 =d0 -d, d2 = d0+?d, 则

u AB

?d = U1 d

同样, 在变面积电容传感器中, 同样 在变面积电容传感器中 则有

u AB

?A = U1 A

由此可见, 由此可见 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及 变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 变面积式差动式电容传感器 并具有线性特性 且转换效率 经过低通放大器就有较大的直流输出, 高, 经过低通放大器就有较大的直流输出 且调宽频率的变 化对输出没有影响。 化对输出没有影响。

5. 阻抗电桥电路 阻抗电桥电路也称为二极管双 型交流电桥 阻抗电桥电路也称为二极管双T型交流电桥,电路原理图 也称为二极管双 型交流电桥, 如下。 是高频电源 它提供幅值为U 的对称方波, 是高频电源, 如下。 e是高频电源 它提供幅值为 i 的对称方波 VD1、VD2? 为特性完全相同的两个二极管, 为特性完全相同的两个二极管 R1 = R2 = R, C1、C2为两个差 动电容传感器。当传感器没有输入时 动电容传感器。当传感器没有输入时, C1 = C2 。

电路工作原理如下:? 电路工作原理如下 ? 为正半周时, 截止, 于是电容C 当e为正半周时 二极管 D1导通、VD2截止 于是电容 1充 为正半周时 二极管V 导通、 在随后负半周出现时, 电容C 上的电荷通过电阻R 电; 在随后负半周出现时 电容 1上的电荷通过电阻 1, 负载电 放电, 流过R 的电流为I 在负半周内, 导通、 阻RL放电 流过 L的电流为 1 。在负半周内 VD2导通、VD1? 截止, 则电容C 充电; 在随后出现正半周时, 通过电阻R 截止 则电容 2充电 在随后出现正半周时 C2通过电阻 2, 负 载电阻R 放电, 流过R 的电流为I 根据上面所给的条件, 载电阻 L放电 流过 L的电流为 2 。 根据上面所给的条件 则 电流I1 =I2, 且方向相反 在一个周期内流过 L的平均电流为零。 且方向相反, 在一个周期内流过R 的平均电流为零。 电流

那么I 此时R 若传感器输入不为 0, 则C1 ≠ C2, 那么 1≠I2, 此时 L上必 定有信号输出, 定有信号输出 其输出在一个周期内的平均值为

1 U 0 = I L RL = T

∫ [ I (t ) ? I (t )]dt
0 1 2

T

? RL

RRL = U i f (c1 ? c2 ) R + RL
式中f为电源频率。 式中 为电源频率。 为电源频率

可知, 输出电压U 不仅与电源电压的幅值和频率有关, 可知 输出电压 o不仅与电源电压的幅值和频率有关 而 且与T型网络中的电容 型网络中的电容C 的差值有关。 且与 型网络中的电容 1和C2的差值有关。 当电源电压确定 输出电压Uo是电容 是电容C 的函数。该电路输出电压较高, 后, 输出电压 是电容 1和C2的函数。该电路输出电压较高 电源电压U 当电源频率为 1.3MHz, 电源电压 i= 46 V时, 电容从 ~+7pF 时 电容从-7~ 变化, 负载上得到-5~ 的直流输出电压。 变化 可以在 1M 负载上得到 ~+5 V的直流输出电压。电 的直流输出电压 路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当 路的灵敏度与电源幅值和频率有关 故输入电源要求稳定。 Ui幅值较高 使二极管 D1、VD2工作在线性区域时 测量的非 幅值较高, 使二极管V 工作在线性区域时, 线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C 无关, 线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容 1、 C2 无关 而仅与 R1、R2及RL有关 其值为 ~100k 。 输出信号的上升沿时间 有关, 其值为1~ 取决于负载电阻。对于1k 的负载电阻上升时间为 20 ?s左右 左右, 取决于负载电阻。对于 左右 故可用来测量高速的机械运动。 故可用来测量高速的机械运动。 ?

5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 5.3.1边缘效应的影响 5.3.1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, 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, 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。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好,同 保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好, 时始终保持等电位,以保证中间各种区得到均匀的场强分布, 时始终保持等电位,以保证中间各种区得到均匀的场强分布, 从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度, 从而克服边缘效应影响。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, 属板做极板,而用石英或陶瓷等非金属材料,蒸涂一层金属 膜作为极板。 膜作为极板。
均匀电场 3 2 3 场 缘 电 1 带有等位环的平板电容 传感器结构原理图 边

连接传感器与电子线路的引电缆电容、 连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散 电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等。 电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等。

5.3.2

寄生电容的影响

电容式传感器测量系统寄生参数的影响, 电容式传感器测量系统寄生参数的影响 , 主要是指 传感器电容极板并联的寄生电容的影响。 传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器 电容量很小,寄生电容就要相对大得多,往往使传感器不 电容量很小,寄生电容就要相对大得多, 能正常使用。 能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以 下几种: 下几种: 1.缩小传感器至测量线路前置极的距离 将集成电路与超小型电容器应用于测量电路,可使得 将集成电路与超小型电容器应用于测量电路, 部分部件与传感器做成一体,这既减小了寄生电容值, 部分部件与传感器做成一体,这既减小了寄生电容值,又 使寄生电容值也固定不变了。 使寄生电容值也固定不变了。

2.驱动电缆法 这实际上是一种等电位屏蔽法。 这实际上是一种等电位屏蔽法 。 其原理电路图如图所 这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位, 示 。 这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位 , 消 除了芯线对内层屏蔽的容性漏电, 除了芯线对内层屏蔽的容性漏电 , 从而消除了寄生电容的 影响, 影响 , 而内外屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负 载 。 因此驱动放大器是一种输入很高、 具有容性负载、 放 因此驱动放大器是一种输入很高 、 具有容性负载 、 大倍数为1的同相放大器。 大倍数为1的同相放大器。
+ 1:1 - 内屏蔽层 传 器 感 外屏蔽层 测量 电路 前置级

芯线

“驱动电缆 图

原理

3.整体屏蔽法 3.整体屏蔽法 所谓整体屏蔽法,是将整个桥体( 所谓整体屏蔽法,是将整个桥体(包括供电电源及传 输电缆在内)用一个统一屏蔽保护起来, 输电缆在内)用一个统一屏蔽保护起来,公用极板与屏蔽 之间(也就是公用极板对地) 只影响灵敏度, 之间( 也就是公用极板对地) 的寄生电容 C1 只影响灵敏度, 另外两个寄生电容 C3 、 C4 在一定程度上影响电桥的初始平 衡及总体灵敏度,但不妨碍电桥的正确工作。 衡及总体灵敏度,但不妨碍电桥的正确工作。因此寄生电 容对传感器的电容的影响基本上得到了排除。 容对传感器的电容的影响基本上得到了排除。

5.3.3温度影响 5.3.3温度影响
1.对结构尺寸的影响 由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别 敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下, 敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下, 温度变化将导致极间隙较大的相对变化,从而产生很大的温 温度变化将导致极间隙较大的相对变化, 度误差。为减小这种误差, 度误差。为减小这种误差,应尽量选取温度系数小和温度系 数稳定的材料,如电极的支架选用陶瓷材料,电极材料选用 数稳定的材料,如电极的支架选用陶瓷材料, 铁镍合金。 铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的 工艺。 工艺。 2.对介质介电常数的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异, 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、 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。 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 0.07% 若环境温度变化±50℃, 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, 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。 化造成的误差。

5.4电容式传感器的特点和应用 5.4电容式传感器的特点和应用
5.4.1 特点
一、优点: 优点: 1、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 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关, 择温度系数低的材料,又因本身发热极小,影响稳定性甚微。 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。 而电阻传感器有铜损等,易发热产生零漂。 2、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, 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, 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, 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, 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。 能对带磁工作进行测量。

3、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( 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几 ),需要的作用能量极小 个10-5 N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部 ),需要的作用能量极小, 分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高, 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 的频率下工作, 动态响应时间短,能在几兆 的频率下工作,特别适用 于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电, 于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电, 因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。 因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

4、可以实现非接触测量,具有平均效应 、可以实现非接触测量, 例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、 例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴 承的径向间隙等。当采用非接触测量时, 承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器 具有平均效应, 具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影 响。 电容式传感器除了上述的优点外, 电容式传感器除了上述的优点外,还因其带电极板间 的静电引力很小,所需输入力和输入能量极小,因而可 的静电引力很小,所需输入力和输入能量极小, 测极低的压力、力和很小的加速度、位移等, 测极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得 很灵敏,分辨力高,能敏感0.01?m 甚至更小的位移; 甚至更小的位移; 很灵敏,分辨力高,能敏感 由于其空气等介质损耗小, 由于其空气等介质损耗小,采用差动结构并接成电桥式 时产生的零残极小,因此允许电路进行高倍率放大, 时产生的零残极小,因此允许电路进行高倍率放大,使 仪器具有很高的灵敏度。 仪器具有很高的灵敏度。

二、缺点 1、输出阻抗高,负载能力差 、输出阻抗高, 电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制, 电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制,一 般只有几个皮法到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高, 般只有几个皮法到几百皮法,使传感器的输出阻抗很高, 尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达10 尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达 8~ 106 。因此传感器的负载能力很差,易受外界干扰影响而 因此传感器的负载能力很差, 产生不稳定现象,严重时甚至无法工作, 产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措 从而给设计和使用带来极大的不便。 施,从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传 感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上), ),否则绝缘 感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上),否则绝缘 部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能(如灵敏度降低), 部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能(如灵敏度降低), 为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用 为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。 高频供电,可降低传感器输出阻抗,但高频放大、 高频供电,可降低传感器输出阻抗,但高频放大、传输远 比低频的复杂,且寄生电容影响大, 比低频的复杂,且寄生电容影响大,不易保证工作十分稳 定。

2、寄生电容影响大 、 电容式传感器的初始电容量小,而连接传感器和电子 线路的引线电缆电容(1~2m导线可达800pF)、电子线 路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄 生电容”却较大,不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些 电容(如电缆电容)常常是随机变化的,将使仪器工作很 不稳定,影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法 都有要求。 随着材料、工艺、电子技术,特别是集成技术的发展, 使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。 电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度,在动态、 低压及一些特殊测量方面大有发展前途地传感器。

随着电容式传感器应用问题的完善解决, 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 应用优点十分明显: 分辨力极高,能测量低达 分辨力极高 的电容值或0.01?m的绝对变化量和高达 的绝对变化量和高达(?C/C)= 的电容值或 的绝对变化量和高达 = 100%~200%的相对变化量,因此尤适合微信息检测; 的相对变化量, ~ 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;自身的功耗、发热 动极质量小, 动极质量小 可无接触测量;自身的功耗、 和迟滞极小,可获得高的静态精度和好的动态特性; 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 结构简单, 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 的适应性较强; 过载能力强 过载能力强。 高湿外 的适应性较强;(4)过载能力强。电容式传感 器不但应用于位移、振动、角度、加速度、 器不但应用于位移、振动、角度、加速度、荷重等机 械量的测量,也广泛应用于压力、差压力、液压、 械量的测量,也广泛应用于压力、差压力、液压、料 成分含量等热工参数测量。 位、成分含量等热工参数测量。

5.4.2 电容式压力传感器
p 5 1 2

3

镀金属表面

4

这类传感器实质上是位移传感器, 这类传感器实质上是位移传感器,它利用弹性 膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器的电容 此时膜片作为电容器的一个电极) (此时膜片作为电容器的一个电极)。

5.4.2 电容式加速度传感器
1 2 C1

C2

4

3

电容式加速度传感器的优点是频率响应范围大, 电容式加速度传感器的优点是频率响应范围大,量程范 围大,仅受弹性系统设计限制。 围大 , 仅受弹性系统设计限制 。 其设计的一个困难是如何获 得对温度不敏感的阻尼。 得对温度不敏感的阻尼 。 由于气体的粘度的温度系数比液体 要小得多,因此采用空气或其它气体作阻尼是合适的。 要小得多,因此采用空气或其它气体作阻尼是合适的。

5.4.3

电容式荷重传感器

当圆孔受荷重变形时,电容值将改变, 当圆孔受荷重变形时,电容值将改变,在电路上各电 容并联, 容并联,因此总电容增量将正比于被测平均荷重F。此种 传感器的特点是测量误差小、受接触面影响小;采用高频 传感器的特点是测量误差小、受接触面影响小; 振荡电路为测量电路,把检测、放大等电路置于孔内; 振荡电路为测量电路,把检测、放大等电路置于孔内;利 用直流供电,输出也是直流信号;无感应现象,工作可靠, 用直流供电,输出也是直流信号;无感应现象,工作可靠, 温度漂移可补偿到很小。 温度漂移可补偿到很小。
F

5.4.4

振动、 振动、位移测量仪

DWY- 振动、 DWY-3振动、位移测量仪是一种电容调频原理的非接 触式测量仪器,它既是测振仪,又是电子测微仪, 触式测量仪器,它既是测振仪,又是电子测微仪,主要用来 测量旋转轴的回转精度和振摆、 测量旋转轴的回转精度和振摆、往复结构的运动特性和定位 精度、机械构件的相对振动和相对变形、 精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度 以及用于某些特殊测量。 等,以及用于某些特殊测量。是一种广泛应用的通用性精密 机械测试仪器。它的传感器是一片金属板,做为固定极板, 机械测试仪器。它的传感器是一片金属板,做为固定极板, 而以被测构件为动极组成电容器,测量原理如图所示。 而以被测构件为动极组成电容器,测量原理如图所示。

d0

波 器
DYW 3

5.4.5

电容测厚传感器

电容测厚仪是用来测量在轧制工艺过程中金属带材厚度变 化的。其变换器就是电容式厚度传感器,工作原理如图所示。 化的。其变换器就是电容式厚度传感器,工作原理如图所示。在 被测带材的上下两边各置一块面积相等与带材距离相同的极板, 被测带材的上下两边各置一块面积相等与带材距离相同的极板, 这样极板与带材就形成了两个电容器(带材也作为一个极板)。 这样极板与带材就形成了两个电容器(带材也作为一个极板)。 把两块极板用导线连接起来,就成为一个极板, 把两块极板用导线连接起来,就成为一个极板,而带材则是电容 传感器的另一个极板, 传感器的另一个极板,其总电容 C = C1 + C 2 。金属带材在轧制过 程中不断向前送进,如果带材带厚发生变化, 程中不断向前送进,如果带材带厚发生变化,将引起它上下两个 极板间距变化,即引起电容量的变化,如果总电容量C做为交流 极板间距变化,即引起电容量的变化,如果总电容量 做为交流 电桥的一个臂,电容的变化? 引起电桥不平衡输出 经过放大、 引起电桥不平衡输出, 电桥的一个臂,电容的变化?C引起电桥不平衡输出,经过放大、 检波、滤波,最后在仪表上显示出带材的厚度。 检波、滤波,最后在仪表上显示出带材的厚度。这种测厚仪的优 点是带材的振动不影响测量精度。 点是带材的振动不影响测量精度。 C ?C
U sc =
1 2

C1 + C 2

U1

轧 辊 被 测 钢 带

工 作 极 板

? 本节重点: 本节重点: 1.熟悉几种常用测量电路的特点 . 2.熟悉电容式传感器的应用
? 思考题 1、 如何克服变极距型电容式传感器的非线性? 克服变极距型电容式传感器的非线性? 、 2、试绘出检测不同物质中含水量的电容传感器的可能 、 结构,并说明测量原理。 结构,并说明测量原理。

5.4.6 电容式湿敏传感器?
电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿 度变化的原理进行湿度测量的传感器。 度变化的原理进行湿度测量的传感器 。 这里介绍两种 薄片状电容式湿敏传感元件。 薄片状电容式湿敏传感元件 。 这类湿敏元件实际上是 一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄 片状电容器。吸湿性电介质材料(感湿材料) 片状电容器 。 吸湿性电介质材料 ( 感湿材料 ) 主要有 高分子聚合物( 例如乙酸-丁酸纤维素和乙酸 丁酸纤维素和乙酸-丙酸纤 高分子聚合物 ( 例如乙酸 丁酸纤维素和乙酸 丙酸纤 维素)和金属氧化物(例如多孔氧化铝) 维素 ) 和金属氧化物 ( 例如多孔氧化铝 ) 等 。 由吸湿 性电介质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器能测全 湿范围的湿度,且线性好 重复性好,滞后小 响应快,尺寸 且线性好,重复性好 滞后小,响应快 湿范围的湿度 且线性好 重复性好 滞后小 响应快 尺寸 能在-10~ 的环境温度中使用。 小,能在 ~70 ℃的环境温度中使用。? 能在

下图所示为高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构。 下图所示为高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构。在清洗 干净的玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上,蒸镀一层厚度约 干净的玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上 蒸镀一层厚度约1 ?m 蒸镀一层厚度约 的叉指形金电极(下电极) 在其表面上均匀涂覆 或浸渍)一层 在其表面上均匀涂覆(或浸渍 的叉指形金电极(下电极),在其表面上均匀涂覆 或浸渍 一层 厚度约5000埃(1埃= 厚度约 埃 埃 10-8cm)的感湿膜(醋酸纤维 )的感湿膜( 膜),在感湿膜的表面上再蒸 在感湿膜的表面上再蒸 镀一层多孔性金薄膜( 镀一层多孔性金薄膜(上电 极), 上电极薄膜的厚度约 200~500埃较为适宜。由上、 上上上 埃较为适宜。 ~ 埃较为适宜 由上、 下上上 吸相吸 下电极和夹在其间的感湿膜 高高高高高薄 构成一个对湿度敏感的平板 形电容器。 形电容器。 衬衬
一种高分子聚合膜电容式湿敏元件的结构

当环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微 孔进入感湿膜而被吸附时,湿敏元件的电容值与 孔进入感湿膜而被吸附时 湿敏元件的电容值与 相对湿度之间成正比关系,线性度约 线性度约± 相对湿度之间成正比关系 线性度约±1%, 如下 图所示。 图所示。 C / pF
80

60

40 — 吸相 — 脱相

20

0

0

20

40

60

80 100

相相相相 / %

电容值与相对湿度的关系

这类电容式湿敏传感器的响应速度快,是由于电容器的上 这类电容式湿敏传感器的响应速度快 是由于电容器的上 电极是多孔的透明金薄膜,水分子能顺利地穿透薄膜 且感湿膜 电极是多孔的透明金薄膜 水分子能顺利地穿透薄膜,且感湿膜 水分子能顺利地穿透薄膜 只有一层呈微孔结构的薄膜,因此吸湿和脱湿容易。 只有一层呈微孔结构的薄膜 因此吸湿和脱湿容易。 因此吸湿和脱湿容易 右图示出了其响应特 试验表明,当湿敏元件 性 。 试验表明 当湿敏元件 90 相相相相相30%上上上93% 从低湿气氛(相对湿度为 80 30% ) 迅 速 移 入 高 湿 气 氛 70 60 相对湿度为93%) 中时 ( 相对湿度为 ) 中时, 50 相相相相相93%降上30% 其时间常数小于3 ; 其时间常数小于 s; 如从 40 高湿气氛迅速移入低湿气氛 30 中,则响应速度稍慢(约 0 10 20 30 40 50 10~30s)。 ~ ) 时时 / s
上电电 / pF

图9.18 电容式湿敏传感器的响应特性

下图示出了另一种薄片状电容式湿敏元件的结构。其感湿 下图示出了另一种薄片状电容式湿敏元件的结构。 膜为一层多孔氧化铝薄膜,衬底为硼硅玻璃或蓝宝石 衬底为硼硅玻璃或蓝宝石,上金膜电极 膜为一层多孔氧化铝薄膜 衬底为硼硅玻璃或蓝宝石 上金膜电极 和两个下金或铂电极形成两个串联电容器。 和两个下金或铂电极形成两个串联电容器。当空气中的相对湿 度变化时,吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化 吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化,引起电容值变 度变化时 吸附在氧化铝薄膜上的水分子质量变化 引起电容值变 在一定温度范围内,电容值的改变与相对湿度的改变成正比 电容值的改变与相对湿度的改变成正比。 化。在一定温度范围内 电容值的改变与相对湿度的改变成正比。 但在高湿环境中(相对湿度大于90%),会出现非线性。 会出现非线性。 但在高湿环境中(相对湿度大于 ) 会出现非线性 为了改善湿度特性的线性度,提 为了改善湿度特性的线性度 提 上上上 高湿敏元件的长期稳定性和响 应速度,对氧化铝薄膜表面进行 应速度 对氧化铝薄膜表面进行 纯化处理( 纯化处理(如盐酸处理或在蒸 氧氧氧 馏水中煮沸等) 可以收到较为 馏水中煮沸等),可以收到较为 薄薄 显著的效果。 显著的效果。 下上上
衬衬

一种氧化铝薄膜电容式湿敏元件的结构

? 集成电容式湿度传感器IH3605 集成电容式湿度传感器IH3605 HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605采用集成 公司生产的集成湿度传感器IH3605 HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605采用集成 电路技术,可在片内完成对信号的调整。由于其具有精度高、 电路技术,可在片内完成对信号的调整。由于其具有精度高、 线性好、互换性强等诸多优点,因此得到广泛的应用。 线性好、互换性强等诸多优点,因此得到广泛的应用。 IH3605结构及引脚介绍 一、IH3605结构及引脚介绍 由于IH3605 IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板 由于IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板 电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化, 电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化,从而可完成 对湿度信号的采集。热化聚合体层同时具有防御污垢、 对湿度信号的采集。热化聚合体层同时具有防御污垢、灰 油及其它有害物质的功能。 IH3605的结构及引脚定义 尘、油及其它有害物质的功能。 IH3605的结构及引脚定义 分别如下图所示。 IH3605采用SIP封装形式 采用SIP封装形式。 分别如下图所示。 IH3605采用SIP封装形式。

IH3605引脚图 IH3605结构示意图

二、IH3605的主要技术指标 IH3605的主要技术指标 电源电压: ●电源电压:4~5.8V; ●供电电流:200μA(5VDC); 供电电流:200μ VDC); 湿度范围: 100% ●湿度范围:0~100%RH 精度: RH( 100%RH、25℃、V=5VDC); RH、25 ●精度:±2%RH(0~100%RH、25℃、V=5VDC); 互换性: RH( 60%RH RH) RH(90%RH); (90%RH ●互换性:±5%RH(0~60%RH)±8%RH(90%RH); 线性度: 5%RH 典型); RH( ●线性度:±0.5%RH(典型); 重复性: RH; ●重复性:±0.5%RH; 稳定度: RH(50%RH、5年内); ●稳定度:±1%RH(50%RH、5年内); 响应时间:15 :15s 25℃及空气缓慢流动环境下); ●响应时间:15s(25℃及空气缓慢流动环境下); 工作温度: 40℃ 85℃ ●工作温度:-40℃~85℃;

三、IH3605的电压输出特性 IH3605的电压输出特性 IH3605的输出电压是供电电压 湿度及温度的函数。 的输出电压是供电电压、 IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电 源电压升高,输出电压将成比例升高,在实际应用中, 源电压升高,输出电压将成比例升高,在实际应用中,通过 以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。 以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。 首先根据下述计算公式,计算出25 25℃ 1、首先根据下述计算公式,计算出25℃温度条件下相对湿 度值RH 度值RH0。 VOUT=VDC(0.0062RH0+0.16) 其中V IH3605的电压输出值 的电压输出值, IH3605的供电电 其中VOUT为IH3605的电压输出值,VDC为IH3605的供电电 压值,RH0为25℃时的相对湿度值。 压值, 25℃时的相对湿度值。 进行温度补偿,计算出当前温度下的实际相对湿度值RH 2、进行温度补偿,计算出当前温度下的实际相对湿度值RH 1.054RH=RH0/(1.054-0.00216t) 其中RH为实际的相对湿度值, 为当前的温度值,单位为℃ RH为实际的相对湿度值 其中RH为实际的相对湿度值,t为当前的温度值,单位为℃ IH3605的输出电压与相对湿度的关系曲线如下图所示 的输出电压与相对湿度的关系曲线如下图所示。 IH3605的输出电压与相对湿度的关系曲线如下图所示。

四、典型应用 由于IH3605的输出电压较高且线性较好, IH3605的输出电压较高且线性较好 由于IH3605的输出电压较高且线性较好,因此电路无 需进行信号放大及信号调整。可以将IH3605 IH3605的输出信号直 需进行信号放大及信号调整。可以将IH3605的输出信号直 接接到A/D转换器上,完成模拟量到数字量的转换。 A/D转换器上 接接到A/D转换器上,完成模拟量到数字量的转换。由于 IH3605的输出信号范围为 的输出信号范围为0 25℃ IH3605的输出信号范围为0.8~3.9V(25℃时),所以 在选择A/D A/D转换器时应选择具有设定最小值和最大值功 在选择A/D转换器时应选择具有设定最小值和最大值功 能的A/D转换器(比如TLC1549) A/D转换器 TLC1549)。 能的A/D转换器(比如TLC1549)。 IH3605的典型应用电路如下图所示 的典型应用电路如下图所示。 IH3605的典型应用电路如下图所示。

其核心器件采用AT89C2051单片机,A/D转换器采用 其核心器件采用AT89C2051单片机,A/D转换器采用 AT89C2051单片机 TI公司的TLC1549十位串行A/D转换器 公司的TLC1549十位串行A/D转换器,R TI公司的TLC1549十位串行A/D转换器,R1、R2、R6设 A/D转换器的最大输入电压 转换器的最大输入电压, 设置A/D 定A/D转换器的最大输入电压,R3、R4、R7设置A/D 转换器的最小输入电压,温度探头D 采用DALLAS DALLAS公司的全 转换器的最小输入电压,温度探头D2采用DALLAS公司的全 数字式测温集成电路DS1820, DS1820,由 口读入温度值, 数字式测温集成电路DS1820,由P10口读入温度值,在单片机 内将读到的湿度值进行温度校正,得到实际的相对湿度值。 内将读到的湿度值进行温度校正,得到实际的相对湿度值。

? 本节重点: 本节重点: 1.熟悉电容式传感器的应用 .

? 思考题 1、试绘出检测不同物质中含水量的电容传感器 、 的可能结构,并说明测量原理。 的可能结构,并说明测量原理。



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