电容传感器的结构原理

第三章电容式传感器3.1电容传感器的结构原理3.2电容传感器的性能改善3.3电容式传感器的测量电路3.4电容式传感器的应用第三章电容式传感器电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、液面、料面、成分含量等方面的测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，因此，在自动检测技术中占有很重要的地位。３.１电容传感器的结构原理电容传感器的基本原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。dAc３.１电容传感器的结构原理当被测参数变化使得上式中的A,d或ε发生变化时,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,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。电容传感器的分类：变间隙式，变面积式，变介电常数式。图3-1给出几种常见的电容传感器。下面分别介绍这几种传感器的结构原理及输出特性。３.１电容传感器的结构原理。图3-1几种不同电容传感器的示意图３.１电容传感器的结构原理3.1.1变间隙式电容传感器图3–2为变间距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为：0100dAc2020000001)(1)1(ddddcdddAcccr若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有：由上式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。当△dd时有，1)(12dd３.１电容传感器的结构原理图3-2变间隙式电容传感器示意图３.１电容传感器的结构原理则:或:说明：（1）C1与Δd近似呈线性关系,所以变间距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。(2)此时电容式传感器的灵敏度为:如图3-2右图采用差动变间隙式可以提高灵敏度。)1(00ddCCCddCC020dSdCdCK３.１电容传感器的结构原理（3）在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图3-3,此时电容C变为：式中:εg——云母的相对介电常数,εg=7;ε0——空气的介电常数,ε0=1;d0——空气隙厚度;dg——云母片的厚度。000ddAcgg３.１电容传感器的结构原理图3-3加入云母介质的电容３.１电容传感器的结构原理云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,(dg/ε0εg)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。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25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。３.１电容传感器的结构原理（4）单变隙式电容的非线性误差：差动式电容的非线性误差：可见采用差动式可以提高线性度。总结：为兼顾灵敏度和线性度，一般采用差动式变隙式结构形式，一般这种结构形式只能用来测量微小位移或微小振动。即测量范围小但灵敏度高。%100||0dd%100||20dd３.１电容传感器的结构原理3.1.2变面积式电容传感器1.直线位移型电容式传感器图3-4左图所示为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板移动距离△x时，覆盖面积S就发生变化，电容量C也随之改变，其值为：xdbCdxabC0)(axCxdbCCC00３.１电容传感器的结构原理图3-4变面积型电容传感器原理图３.１电容传感器的结构原理说明：（1）由此可见电容C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关系，其测量的灵敏度为：减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b则受到传感器体积的限制。dbaCxCK0３.１电容传感器的结构原理（2）此结构类型的可测直线位移变化。位移△x不能太大，极板的另一边长a不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。2.角位移型电容式传感器图3-4右图为角位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也就改变了两极板间的电容量C，此时电容值为：)1()1(0CdSC00CCCC３.１电容传感器的结构原理说明：电容C的相对变化△C/C0与角位移也呈线性关系，因此可用来测量角位移的变化，理论测量范围0-π，但实际由于边缘效应等原因达不到该测量范围。3.齿形极板的电容式线性位移传感器图3-1（j）是一齿形极板的电容式线性位移传感器的原理图。它是图3-2的一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。３.１电容传感器的结构原理当齿形极板的齿数为n，移动△x后，其电容为：可见其灵敏度得到提高。)()(0xdbCndxabnCxdbnnCCC0灵敏度为：dbnxCK３.１电容传感器的结构原理3.1.3变介电常数式电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图3-5为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。由图中可以看出，此时传感器的电容量为:BACCC３.１电容传感器的结构原理其中202101220110220110AddxbdxbdxbdxbdxbC1021B)(ddxabCCA计算原理如图3-3式中b为极板的另一边长。３.１电容传感器的结构原理.图3-5介质面积变化的电容传感器３.１电容传感器的结构原理设极板间无介质时的电容量为:当介质插入两极板间时，则有:21100ddbaC21021202101BA)(ddxabddxbCCC212121001ddaxCC３.１电容传感器的结构原理则有:212121001ddaxCCCC说明:(1)变面积介质传感器电容量的相对变化△C/C0与位移△x呈线性关系。(2)该类型传感器可用来测介质厚度,鉴别介质种类或测量介质位移变化等.３.１电容传感器的结构原理3.1.4差动电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式，如图3-1（e）~（h）所示。图3-1（e）是改变极板间距离的差动电容式传感器原理图，中间一片为动片，两边的两片为定片，当动片移动距离为△x后，一边的间隙变为d―△x，而另一边则变为d＋△x，因此，当动片移动后，两边的电容成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应地减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。图3-1（f）~（h）是改变极板间遮盖面积的差动电容传感器的原理图，以图3-1（f）为例说明，上、下两个圆筒是定极片，而中间的为动片，当动片向上移动时，与上极片的遮盖面积增大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然，因此，也可以实现两边的电容成差动变化。3.2电容传感器的性能改善电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作原理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采取相应的技术措施来改善。1.静电击穿问题该问题在3.1节中作过介绍,具体办法就是在电容中加入介质,防止静电击穿,见图3-3所示.加入介质后的等效电容为:000ddAcgg3.2电容传感器的性能改善2.边缘效应电容器两极板的电场分布在中心部分是均匀的，但到了边缘部分是不均匀的，因此边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小边缘效应的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的电位，如图3-6所示，这样可以使工作极板全部面积处于均匀电场的范围。应该说明的是，增设防护电极虽然有效地抑制了边缘效应，但也增加了加工工艺难度。另外，为了保持防护电极与被防护电极的等电位，一般尽量使二者同为地电位。3.2电容传感器的性能改善.3.2电容传感器的性能改善3.寄生电容电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定。3.2电容传感器的性能改善为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地，但屏蔽线本身的电容量较大，且由于放置位置和形状不同而有较大变化，也会造成传感器的灵敏度下降和特性不稳定。目前解决这一问题的有效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。3.2电容传感器的性能改善4.温度误差在环境温度发生变化时，与电容有关的机械参量S和d以及介电常数都会随温度变化，造成温度误差，需作必要的温度补偿。其分析思路可参照电阻应变片。此外，在制造电容传感器时，一般要选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料。例如电极的支架选用陶瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。3.3电容传感器的测量电路电容式传感器的输出电容值非常小（通常几皮法至几十皮法），因此不便直接显示、记录，更难以传输，为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量电路。3.3电容传感器的测量电路3.3.1运算放大器式电路图3-7所示为基本的运算放大器式电路，它由传感器电容Cx、固定电容C0及运算放大器A组成。其中为电源电压，为输出电压。由于集成运放开环增益很高，所以它构成的基本运算电路均可认为是深度负反馈电路，运放两输入端之间满足“虚短”和“虚断”，根据这两个特点很容易得出下式:sUoU0sxoCj1Cj1UU3.3电容传感器的测量电路即:将代入上式可得:x0soCCUUdSCxdSCUU0so图3-7运算放大式电路3.3电容传感器的测量电路说明:(1)输出电压Uo与电容传感器两电极的间距成正比，这就从原理上解决了使用单个变间隙式电容传感器输出特性的非线性问题。由于实际的运算放大器不可能完全满足理想运放的条件，因此仍具有一定的非线性误差，但只要其输入阻抗和增益足够大，这种误差是相当小的。按这种原理已制成了能测出0.1μm的电容式测微仪。(2)由上式可知，输出电压Uo还与Us和C0有关，因此，该电路要求电源电压必须采取稳压措施，固定电容必须稳定。3.3电容传感器的测量电路3.3.2电桥电路图3-8所示为交流电桥测量电路。图3-8（a）为单臂接法的交流电桥测量电路，其中电容C1，C2，C3，Cx构成电容桥的四臂，Cx为电容传感器。高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，从桥路的另一个对角线取输出电压。当电容式传感器输入的被测量x=0，输出Cx=C0时，交流电衡，有:Uo=0sU