第4章电容式传感器原理及其应用

第4章电容式传感器原理及其应用4.1电容式传感器的工作原理及分类4.2电容式传感器的测量电路4.3电容式传感器的特点及设计改善措施4.4电容式传感器的应用4.1电容式传感器的工作原理及分类4.1.1工作原理及结构形式电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过测量电路将电容量的变化转换成电信号输出。电容式传感器实际上是一个可变参数的电容器，它的基本工作原理可用图3-1所示的平板电容器来说明。图4-1电容式传感器工作原理图平板电容器电容量表达式为：由式（4-1）可知,三个参数都直接影响着电容量的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那么电容量的变化可以直接反映被测量的变化情况，再通过测量电路将电容量的变化转换为电量输出，就可以达到测量的目的。因此，电容式传感器通常可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。4.1.2变面积式电容传感器变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。（1）线位移变面积型•常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线位移型和柱面线位移型两种结构，如图4-2所示。对于平板状结构，在图4-2（a）中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为：式中，，为初始电容值。对于柱状结构，在图4-2（b）中，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为：式中，，为初始电容值。dabC0)/ln(200rRhC（2）角位移型•角位移型是变面积式电容传感器的派生形式，其派生形式种类较多，如图4-3所示。（a）角位移型；（b）齿形极板型；（c）圆筒型；（d）扇型图4-3变面积式电容传感器的派生型在图4-3（a）中，当动极板有一个角位移时，它与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致电容量的变化，电容值可表示为：4.1.3变间隙式电容传感器当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改变极板间距离时，称为变间隙式电容传感器，其结构原理如图4-4所示。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，电容量随着两极板间的距离的变化而变化，当活动极板移动后，其电容量为：因此，这种类型传感器一般用来对微小位移量进行测量，正常工作在微米到几毫米的线位移。同时，变间隙式电容传感器要提高灵敏度，应减小极板间的初始间距。为了改善这种情况，一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数较高的介质。4.1.4变介电常数式电容传感器根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电容式传感器电容量的一个因素。通常情况下，不同介质的介电常数各不相同，一些典型介质的相对介电常数如表4-1所示。当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，也会引起电容量发生变化。变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如图4-5所示。（a）柱式（b）平板式图4-5变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。常见的一些变介电常数式电容传感器的结构原理图如图4-6所示。(a)测介质厚度；(b)测量位移；(c)测量液位；(d)测温度、湿度图4-6常见变介电常数式电容传感器4.2电容式传感器的测量电路4.1.1工作原理及结构形式电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小，这样微小的电容量目前还不能直接被显示仪表所显示，无法由记录仪进行记录，亦不便于传输。借助测量电路检出微小的电容变化量，并转换成与其成正比的电压、电流或者频率信号，才能进行显示、记录和传输。用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有：普通交流电桥、变压器电桥、双T形电桥电路、紧耦合电感臂电桥、运算放大器式测量电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等。4.2.1普通交流电桥电路普通交流电桥测量电路如图4-7所示，为传感器电容，为等效配接阻抗，和分别为固定电容和固定阻抗。xCZ0CZ传感器工作前，先将电桥初始状态调至平衡。当传感器工作时，电容发生变化，电桥失去平衡，从而输出交流电压信号。此信号先经过交流放大器将电压进行放大，再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。电桥的输出电压为：xC4.2.2变压器电桥电路图4-8所示为电容式传感器接入变压器电桥测量电路，它可分为单臂接法和差动接法两种。（a）单臂接法（b）差动接法图4-8变压器电桥电路（1）单臂接法图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容构成电桥的四个臂，其中为电容传感器。当传感器未工作时，交流电桥处于平衡状态，有：此时，电桥输出电压。当改变时，，电桥有输出电压，从而可测得电容的变化值。xCxC00UxC00U（2）差动接法变压器电桥测量电路一般采用差动接法，如图4-8(b)所示。以差动形式接入相邻两个桥臂，另外两个桥臂为次级线圈。在交流电路中，的阻抗分别为：则有，故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为xCxC21ZZUI4.2.3双T形电桥电路双T形电桥电路如图4-9(a)所示，高频电源u提供幅值为U的方波。a）双T型电桥连接（b）正半周（c）负半周4.2.4运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路的原理图如图4-10所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可认为是一个理想运算放大器。则输出电压为：0u可见，运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。理想运算放大器的开环放大倍数，且输入阻抗。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容值稳定。0udAiZ0C4.2.5调频电路调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其测量电路原理框图如图4-11所示。当电容工作时，电容变化导致振荡频率发生相应的变化，再通过鉴频电路把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进行显示和记录，这种方法称为调频法。当传感器未工作时，振荡频率为：用调频电路作为电容式传感器的测量电路具有下列特点：（1）抗干扰能力强，稳定性好；（2）灵敏度高，可测量级的位移变化量；（3）能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；（4）由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。m01.04.2.6差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路如图4-12所示，它是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的变化而变化，再通过低通滤波器得到相应被测量变化的直流信号。图4-12差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形如图4-13所示。4.3电容式传感器的特点及设计改善措施4.3.1电容传感器的优缺点1．电容式传感器的优点（1）温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。（2）阻抗高、功率小，需要输入的动作能量低：电容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适宜用来解决低能量输入的测量问（3）动态响应好：电容式传感器由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，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。（4）结构简单，适应性强：电容式传感器结构简单，易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。2．电容式传感器的缺点（1）输出阻抗高，带负载能力差：电容的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），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温度、湿度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。（2）输出特性为非线性：虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才成线性，否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。（3）寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容很小，而其引线电容、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。例如，将信号处理电路安装在非常靠近极板的地方可以削弱泄露电容的影响。4.3.2电容式传感器的设计改善措施电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。（1）消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在结构上增加等位保护环的方法来消除边缘效应，如图4-14所示。（a）电容器的边缘效应（b）带有等位环的平板式电容器图4-14等位环消除电容边缘效应原理图（2）保证绝缘材料的绝缘性能①温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料性能的主要因素。②传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮。③尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为零的电介质作为电容式传感器的电介质。④传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。⑤传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘性能的材料，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。（3）减小或消除寄生电容的影响寄生电容可能比传感器的电容大几倍甚至几十倍，影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此，减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法：•①增加电容初始值：增加电容初始值可以减小寄生电容的影响。采用减小电容式传感器极板之间的距离，增大有效覆盖面积来增加初始电容值。•②采用驱动电缆技术:驱动电缆技术又叫双层屏蔽等位传输技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。如图4-15所示，在电容传感器与测量电路前置级间的引线采用双层屏蔽电缆，其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过增益为1的驱动放大器成为等电位，从而消除了芯线对内屏蔽层的容性漏电，克服了寄生电容的影响，而内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。因此，驱动放大器是一个输入阻抗很高，具有容性负载，放大倍数为1的同相放大器。该方法的难点在于要在很宽的频带上实现放大倍数等于1，且输入输出的相移为零。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。图4-15驱动电缆技术原理图•③采用运算放大器法：运算放大器法的原理如图4-16所示。它利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容。PC图4-16运算放大器法•电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地Σ点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容，为运算放大器的开