《传感器与检测技术》 3.4 电容式传感器

电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器。特点:结构简单、零漂小、体积小、分辨率高、动态响应快、测量精度高，且可非接触测量。应用:位移、振动、压力、液位等参数的测量中。3.4电容式传感器3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变面积型电容传感器3.变介电常数型电容传感器4.变极距型电容式传感器1.工作原理0rSSCddS——两平行极板覆盖的面积；d——极板间距离；εr——极板间介质的相对介电常数；ε0——真空介电常数（8.85pF/m）；ε——电容极板间介质的介电常数。dSε类型：变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器平行板电容原理图变极距d的传感器可以测量微米数量级的位移，变面积A的传感器适用于测量厘米数量级的位移。变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)2.变极距型电容传感器dsCr000001rsCCCCdddd非线性关系若△d/d1时，则式（3.3.3）可简化为ddCCC00若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10初始电容dSε平行板电容原理图线性关系为防止d太小时电容击穿或短路，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。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。一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～30pF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。差动式改善其非线性、提高灵敏度和减少外界的干扰。3.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为0000()rrraxbCCCdabxbdd△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器0000dsCr0000(1)(1)rsCCd当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。01XjC3.变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容圆柱型电容式液位传感器电容与液位的关系为：变介质型电容传感器有较多的结构型式，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、木材或煤等非导电固体介质的湿度。下图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。变介质型电容式传感器02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000)1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系变介质介电常数型电容式传感器3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.2电容式传感器主要性能1.静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2.非线性平板式变面积型b△aa0SabCdd0aabababaCCddda0gCCbkaadbdkg减小d、增大b、采用差动结构可提高灵敏度（ad）变极距型，其静态灵敏度为01()1/gCCkdddd/1dd将上式展开成泰勒级数得23401gCddddkddddddkg但d过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能差动结构也可提高灵敏度2.非线性变极距型0011/ddCCCdddddd/1dd将上式展开成泰勒级数得2301...ddddCCddddmm/1dd0(/)CCddd取值不能大，否则将降低灵敏度11(~)0.01~0.9105ddmmm采用差动形式，并取两电容之差为输出量24021dddCCddd差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍如果采用容抗作为电容式传感器输出量XCC1/()11cXdCSdd被测量与d成线性关系无需满足在忽略边缘效应的情况下，变面积型和变介电常数型电容传感器均具有好的线性，但实际上边缘效应引起的漏电现象，导致极板间电场分布均匀，仍存在非线性及灵敏度下降问题3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.3传感器的特点和设计要点1.特点2.设计要点1、特点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强3.可以实现非接触测量、具有平均效应4.动态响应好动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度2.设计要点减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能消除和减小边缘效应消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰尽可能采用差动式电容传感器低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能选材、结构、加工工艺电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：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电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差(2).消除和减小边缘效应危害：灵敏度降低、产生非线性适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地(4)差动技术的运用减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.4电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCRg高频等效电路电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈rreCLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为2222)1()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。改变w或更换转换电路引线电缆后需要重新标定。3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.5电容式传感器测量电路(1)电桥电路(2)运算放大器电路(3)脉宽调制电路(4)调频电路(5)双T型电桥电路(1)变压器电桥如下图所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。变压器电桥电桥的空载输出电压为：对变极距型电容传感器，，代入上式得：可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。221120121212ZCCUUUUUZZ22ZZ2CC2&&&&&ZZ010ACdd020ACdd00022&&&CUdUUCd(2).运算放大器式电路最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号运算放大器式电路原理图uCACx∑～u0由运算放大器工作原理可知ujCjCuCCuxx011/()/()()/xCSd0uCudS结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性关系假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。uC-ACx∑～u04.4电容式传感器的测量电路（3）脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路（3）脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路当双稳态触发器处于某一状态时，，A点高电位通过R1对Cx1充电，时间常数t1=R1Cx1,直到F点电位高于参比电位Ur，比较器A1输出正跳变，与此同时，因，电容器电容器Cx2上的已充电电压通过VD2快速放电至0.Q=1,Q=0Q=04.4电容式传感器的测量电路T1和T2分别为端和端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。（a）（b）各点电压波形图QQU1──触发器输出的高电位。uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中UA、UB──A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2──分别为C1和C2的充电时间；U1──触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间TRCUU