电容式传感器 传感器技术与应用

第4章电容式传感器4.1电容式传感器（原理、类型、特点等。本章重点）4.2*容栅式传感器（一般介绍）4.3电容式传感器应用（设计要点、应用举例）本章内容与学时安排：4.1电容式传感器电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱形电容传感器。可用来测量压力、力、位移、振动、液位、成份含量等。4.1.1平行板电容式传感器工作原理000dSdSCr设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），两极板间的距离为d0（m），极板间介质的介电常数为ε（F/m）。若忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为:其中：εr----相对介电常数；ε0----真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12F/m可以看出，εr，S，d0三个参数都直接影响着电容量C的大小。图4.1平板电容器d0S如果保持上式中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。故电容式传感器可分为三种类型：①变极距型（变间隙型）：改变极板距离d0；②变面积型：改变极板相对面积S；③变介电常数型：改变介电常数ε。12d0图4.1变极距型电容式传感器C0d0ΔCdC0Δd图4.2C—d0特性曲线1.变极距型（图4.1）ε=常量，S=常量，极距d0可变，此时：C=f(d0)图中极板1固定不动，称定极板，极板2为可动极板。当可动极板随被测量变化而移动时，使两极板间距离d0变化，从而使电容量发生变化。C随d0变化的函数关系为双曲线。特性分析设动极板处于初始位置d0时，电容器初始电容量为C0当间距减小△d时，则电容变化量△C为：000000dddCddddSdSddSC则电容相对变化量△C/C0为：0001ddddCC当△dd0，上式可展开成级数：......])()(1[302000ddddddddCC忽略上式高次项，有此式表明，在△dd0情况下，电容变化量△C与极板间距变化量△d呈近似线性关系。00ddCC0dd的大小有关，非线性误差表达式为2000()100%()dddddd非线性误差与如：当极距相对变化量为0.1时，则误差达10%，误差较大。此式表明：灵敏度K是极板间距d0的函数，d0越小，灵敏度越高。但减小d0，同样会使非线性误差增大，且受电容器击穿电压的限制，制造困难。为此，在实际应用中，为改善非线性，常采用差动式结构。ºººC1C2d0d0Δd132图4.3变极距型差动式电容传感器原理图该类传感器的灵敏度为：20dSdCK我们只给出结论：差动式电容传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差可以减小一个数量级（详见教材）。变极距型应用：电容式传声器(a)角位移式(b)直线位移式图4.4变面积型电容式传感器dabx2.变面积型ε=常量，d0=常量，相对面积可变，此时C=f(S)。其结构见下图。a)角位移式特性分析当动极板有一角位移θ时，两极板间覆盖面积S就发生变化，从而导致电容量的变化。当θ=0时，C0=εS/d0当θ≠0时可见：电容Cθ与角位移θ呈线性关系。)1()1(00CdSCb)直线位移式（图4.4b）)1()(00axCdxabCxaCdxdCK0当动极板移动x时，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为：其灵敏度为：可见：增加初始电容C0可提高传感器的灵敏度。图4.5为齿形极板的位移式电容传感器。采用齿形极板的目的是利用平均效应，减小误差。abx图4.5齿形电容式传感器设齿形极板的齿数为n，当动极板发生直线位移x时，其电容为：000()(1)rxnbaxxCnCda该传感器的灵敏度K变为：0xdCCKndxa若在两极间充以其他介质，使介电常数相应变化，则电容量也随之变化。这种传感器常用来检测容器中液面高度、片状材料的厚度等。ABd0d101图4.6变介电常数型电容式传感器下图所示传感器，其电容量等于两个电容相串联，即0101010011010110()SSCCddSCSdSdCCdd3.变介电常数型4.1.2圆柱形电容式传感器工作原理rRLCln201.同轴圆柱形电容式传感器（变面积型）右图所示为同轴圆柱形电容式传感器示意图。其电容量为：12当两圆筒相对移动△L时，电容变化量△C为：由以上分析可得出结论，同轴圆柱型电容传感器的灵敏度为常数，即输出△C与输入△L呈理想的线性关系。)/(2)/ln()(2)/ln(20LLCrRLnLrRLLrRLCln(R/r)20常数LCLCkg当被测液体的液面在同心圆柱形电极间发生变化时，将导致电容的变化。此时，相当于两个同轴圆柱形电容C0、C1并联：0010101222211112()22()2lnlnlnlnhxhxxCCCRRRRRRRR2.变介质圆柱形电容式传感器（变介电常数型）电容式液位计属于该类。输出电容与液面高度呈线性关系。电容式液位传感器（液位计/料位计）变介质电容式传感器应用4.1.3电容式传感器的特性1、等效电路若考虑电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路如右图。C为传感器电容，RP为并联损耗电阻，RS为引线电阻，L为电容传感器本身电感和外部引线电感。由此可得到等效阻抗ZC，即：ººRSRPCL图4.9电容式传感器的等效电路)1()1(2222222LCRCRjCRRRZPPPPSC由于传感器的并联电阻Rp很大，串联电阻RS很小，忽略这两项，则等效阻抗ZC为：LjCjZC1因此，电容传感器的等效电容Ce可由下式求得：LjCjCje1120211）（ffCLCCCe式中：f0为等效电路谐振频率，LCf210电容传感器的等效电路，特别是高频时存在串联谐振频率，该谐振频率通常为几十MHz。故一般的供电频率要远离该值，一般为1/2~1/3，传感器才能正常工作。一般当f≤10MHz时，还可忽略L的影响，并且实际使用时，只要使用条件能保证与传感器标定时的接线条件，L可不考虑。（1）高阻抗电容式传感器的电容量一般很小，其容抗Xc=1/jωC，呈现高阻抗。（2）小功率2.高阻抗和小功率3.静电引力在被测量很小时，电容式传感器两极板间的静电场会使动极板产生附加位移，造成测量误差。4.1.4转换电路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、调频电路，二极管双T形电路、运算放大器电路、差动脉冲调宽电路。电容接桥方式很多，但必须接入交流电桥，且电源频率不能太低。如普通电桥和变压器电桥。1、调频电路图4.10调频测量电路原理框图当被测信号为0时，ΔC=0，振荡器有一个固有频率f0当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化fff0oixCUUC2、运算放大器电路电路原理图如下图所示。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。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为二极管双T型交流电桥是利用电容充放电特性进行工作。BRLVD1VD2C2C1R2R1eA图4.12二极管双T型交流电桥3、二极管双T型交流电桥图中e是高频电源，提供幅值为E的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个理想二极管，固定电阻R1=R2=R，RL为负载电阻，C1、C2为传感器的两个差动电容，对于单极式电容传感器可以其中之一为固定电容，另一个为传感器电容。负载RL的两端电压为输出信号，可推出：该电路的特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减少了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求高度稳定；③输出阻抗为R，克服了电容传感器高内阻的缺点；④适用于单组式和差动式电容传感器。)C-(CR)R(R)2RR(RU21L2LL0Ef4、差动脉冲调宽电路*差动脉冲调宽电路（脉冲宽度调制电路）原理图如下。差动脉冲调宽电路BVD2AVD1A2放大器A1放大器Ur双触稳发态器QQGU0FR2R1低通滤波C2C1UAB优点：①采用直流电源，电压稳定度高；②对元件无线性要求；③不存在稳频，不需要相敏检波与解调等；④低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出波形的纯度要求也不高。4.2容栅式传感器*4.2.1容栅式传感器的类型与工作原理一、类型：长容栅、圆容栅容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。可测大位移（可达1m），具有精度高（可达5μm），结构简单，能耗低等优点。二、工作原理1、长容栅传感器定栅动栅对定栅动栅对C21C定栅与动栅对的组合2、圆容栅传感器其工作原理与长容栅相似。长容栅传感器也称线位移容栅传感器。由定尺和动尺组成。工作原理参见下图。4.2.2容栅式传感器的特点与抗干扰措施一、优点：1、耗能低。适用于以电池供电的测量场所。2、动态响应快。3、能在高温，恶劣环境下工作。二、缺点：易受引线、接地、外壳等外界干扰，对后续放大器也要求很高。4.2.3容栅式传感器的信号处理方式（略）1、调幅式信号处理2、调相式信号处理三、提高抗干扰能力的措施1、提高电源频率。2、采用高输入阻抗运放。3、采用带通或选频放大技术。4、采用屏蔽。5、提高初始电容值。6、减小极板厚度，增大极板宽度。应遵循的几项原则：（1）结构设计时，应尽量提高传感器的初始电容值。（2）防水防尘。严防潮气、尘土和蒸汽。（3）电容极板的绝缘与固定。（4）合理选材。减小传感器的零点漂移。4.3电容式传感器的应用4.3.1电容式传感器的设计及应用要点（5）合理选择电源电压频率。电源电压频率的选择应不低于500~1000Hz。（6）注意传感器的容许工作电压。（7）考虑连接电缆对传感器特性的影响。如采用超小型大规模集成电路；采用“驱动电缆技术等”。（8）采用屏蔽接地技术。4.3.2电容式传感器的应用举例1、电容式测微仪高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。在最大量程为（100±5）μm时，最小检测量为0.01μm。右图为电容式测微仪测头原理图。探头被测件hS图4.17电容式测微仪原理图2、电容式压力传感器图4.20（a）为单只变极距型电容式传感器原理图。用于测量气体或液体压力。12PP3456（a）单只电容式压力传感器（b）差动电容式压力传感器图4.20电容式压力传感器图4.20（b）为一种小型差动电容式压力传感器。可用于微小压力。产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器右图为电容式加速度传感器的结构示意图。质量块4由两根簧片3支撑于充满空气的壳体2内，弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。Cx1B面1523624A面Cx21、5—固定极板；2—壳体；3—簧片；4—质量块；6—绝缘体图4.21电容式加速度传感器结构示意图3.电容式加速度传感器4.容栅式传感器在数显卡尺中的应用典型应用：电子数显游标卡尺5、电容传声器采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。7、电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容