第四章 电容式传感器

哈尔滨工业大学第四章电容式传感器第四章电容式传感器电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。§4-1电容式传感器的工作原理工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量哈尔滨工业大学第四章电容式传感器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:+++δS当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。哈尔滨工业大学分类示意图c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器一、变面积型电容传感器baδΔx设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。灵敏度：（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）哈尔滨工业大学第四章电容式传感器线位移角位移单组式差动式平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。哈尔滨工业大学可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。①增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器二、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）xh2r2Rε0ε1类型1：被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。ε1－液体介质介电常数；ε0－空气中介电常数（F/m）；h－电极板总长度（m）；r－内电极板外径（m）；R－外电极板内径（m）；x－液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。液面高度哈尔滨工业大学类型2：第四章电容式传感器δd面积S气隙当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：d—运动介质的厚度（m）可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器哈尔滨工业大学三、变极板间距型电容传感器第四章电容式传感器哈尔滨工业大学δεS动极板定极板若极板间距减小△δ，则电容将增大△C。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器时，展开为级数形式因，忽略高次项上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器①欲提高灵敏度，应减小间隙δ，但受电容器击穿电压的限制；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器·δδC1C2动极板上移Δδ1，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则：差动电容器输出：忽略高次项：灵敏度提高一倍，非线性误差减小。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器§4-2电容式传感器的测量电路测量线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：①给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；②检测出电场能量的变化，形成可供实用的电信号；③在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器电容传感器等效电路图中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为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，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，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器有效灵敏度的改变。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器一、交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4•△V•将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器电路的主要特点：①必须接成差动形式使用；②电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；③要求后续电路输入阻抗无限大。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器二、差动脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分量的变化。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器双稳态触发器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比较器循环工作哈尔滨工业大学第四章电容式传感器U0平均值为零U0平均值不为零哈尔滨工业大学设R1=R2与电容差值成正比第四章电容式传感器哈尔滨工业大学三、运算放大器式电路这种线路的最大特点是从原理上克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使输出与输入动极板位移成线性关系。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学反相放大电路反馈元件是传感器电容CxC是固定电容电源电压u理想运放将代入输出电压与电容极板间距成线性关系，从原理上保证了变极距型电容传感器的线性。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器§4-3影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施哈尔滨工业大学第四章电容式传感器电容传感器的特点优点:1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，强磁场等恶劣环境中工作。3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。5、耗能低哈尔滨工业大学缺点:1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。2、寄生电容影响大：由于电容传感器起的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（1~2m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器一、温度对电容式传感器的影响环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器为减小这种误差①一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。②采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器温度变化对介质介电常数的影响使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异。这种温度误差可用后接的测量线路进行一定的补偿，而完全消除是困难的。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器二、漏电阻的影响（绝缘性能）电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响。这主要是采用高质量的绝缘材料及采用合理的结构加以解决。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器三、边缘效应与寄生参量的影响1、边缘效应理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。①为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。②在结构上增设等位环来消除边缘效应。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器均匀电场等位环电极电极边缘电场边缘电场原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。哈尔滨工业大学2、寄生参量第四章电容式传感器一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响。①.增加原始电容值②.注意传感器的接地和屏蔽（右图）③.将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内（集成化）减小寄生电容的方法哈尔滨工业大学第四章电容式传感器测量电路前置级+−1:1内层屏蔽外层屏蔽Cx在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接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，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。④.采用“驱动电缆”技术等电位屏蔽法哈尔滨工业大学第四章电容式传感器⑤.采用运算放大器法所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其关键在于正确选取接地点。u0与传感器电容相并联的为等效电容CP/（1+A）⑥.整体屏蔽哈尔滨工业大学四、防止和减小外界干扰第四章电容式传感器注意传感器的接地和屏蔽增加原始电容值，降低容抗导线分布合理尽可能一点接地尽量采用差动式电容传感器哈尔滨工业大学§4-4电容式传感器的应用第四章电容式传感器量程精度分辨力变极距型0.01~几百微米0.01m0.001m变面积型零点几~几百毫米优于0.5%0.01~0.001m哈尔滨工业大学一、电容式位移传感器第四章电容式传感器哈尔滨工业大学二、电容式加速度传感器第四章电容式传感器这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使c1，c2中一个增大，一个减小。哈尔滨工业大学三、电容式压力传感器第四章电容式传感器工作原理将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。用途用于气体、液体、蒸气压力的测量哈尔滨工业大学高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置第四章电容式传感器电容式差压变送器哈尔滨工业大学1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—腔电容式差压变送器内部结构第四章电容式传感器哈尔滨工业大学各种电容式差压变送器外形第四章电容式传感器哈尔滨工业大学法兰第四章电容式传感器哈尔滨工业大学利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=gh第四章电容式传感器哈尔滨工业大学电容差压变送器用于测量液体的液位投入式水位计第四章电容式传感器哈尔滨工业大学总电容C=C1+C2，带材厚度发生变化时，C