电容式传感器

第五章电容式传感器电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。特点★优点①高阻抗，小功率。②灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。③良好的动态特性。④结构简单，适应性强。⑤可进行非接触测量。⑥本身发热影响小。★缺点：①变间隙电容传感器非线性较严重。②输出阻抗很高。③寄生电容大应用：可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量。一、电容式传感器的工作原理及分类在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为dAC0rC—电容量；d—两平行极板间的距离；—介质的相对介电常数；—真空的介电常数，=8.85×10-12F/m；A—极板面积。r0在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学量转换成d或A的变化，从而转换成电容量的变化。边缘效应：1）边缘效应产生的原因：2）产生的后果：边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。3）消除边缘效应的方法：应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。也可采用等位环的方法，如图所示。3）消除边缘效应的方法：应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。也可采用等位环的方法，如图5-2所示。二、电容式传感器的结构类型及主要特性电容式传感器分为三个类型，即变极距（d）型、变面积（A）型和变介电常数（ε）型。1结构类型三、电容式传感器的灵敏度及非线性电容特性公式为dAC0r可见：电容量C与d之间是一种双曲线函数关系，如图5-3所示。工作时必须将d变化范围限制在一个远小于d的△d区间内。可将△C和△d的关系近似看作是线性关系。1、变极距型平板电容式传感器当d0→d0-△d时，△C为：00dAddAC0001ddddCC200001ddddddCC略去非线性项，有00ddCC当1时，有0dd所以灵敏度为200r001dAdCdCK在条件下，电容的变化量△C与极板间距变化量△d近似呈线性关系。10dd一般取1.0~02.0/0dd略去二次方以上各项，测得001ddddCC非线性误差为%100)()(0020dddddd越小，则越小，即只有在很小时（小测量范围）才有近似的线性输出。0dd0/dd讨论：1）灵敏度K与极距d0的平方成反比。d0越小，灵敏度越高。d0过小，容易引起电容击穿或短路。采取的措施：可在极板间放置云母片或其它介电常数高的材料0ddACyy在分母中加上dy/εy这一恒定值后，特性的线性度也得到了改善。（2）为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动电容式传感器，如图5-6所示。中间为动片，上下为定片，当动片向上移动△d时，则有（C1、C2的初始电容用C0来表示）ddd01101CCCddd02202CCC则移动△d后000000010111ddCdddAddACCC000000020211ddCdddAddACCC当1，所以按级数展开可写成0dd30200011ddddddCC30200021ddddddCC电容量的变化为4020003000211222ddddCddddddCCCC略去高次项，则002CddC传感器的灵敏度为002dCdCK其非线性误差为%100)/()()(20030dddddd灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。2、变面积型板状线位移传感器如图5-7所示，当动极板沿箭头所示的方向移动x时，其电容量为lxCdxlbCx100传感器的灵敏度为0dddbxCKx传感器的输出呈线性，增大b减小d0，可提高灵敏度，但是b值的增大受结构的限制。而d值也不可能太小，否则有可能引起电容的击穿或短路，同时加工难度加大。l不能太小，否则边缘效应影响增大，引起非线性。3、变介电常数型传感器当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，根据这个原理可构成变介电常数型电容传感器。如图5-8所示的电容式液位传感器就是一种变介电常数型电容式传感器。因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。表5-1几种介质的相对介电常数0110110121lnπ2lnπ2lnπ2lnπ2rRlrRlrRlrRllCCC传感器的灵敏度为rRlKlnπ2ddC011三、电容式传感器的等效电路图中：C——传感器电容；CP——寄生电容；RP——并联损耗电阻，它包括电极间直流电阻和气隙中介质损耗的等效电阻；L——为传感器本身的电感及外部引线电感组成；RS——串联损耗电阻，由引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻组成。LCCCCC2E1/CLCj1jj1ELCCC2E1由等效电路可知，传感器有一谐振频率，当工作频率等于或接近于谐振频率时，电容传感器将不能正常工作，因此选择的工作频率应低于谐振频率，此时，电容的实际相对变化量为电容传感器所产生的电容量很微小（几皮法到几十皮法），这样小的电容量不便于直接传输、记录和显示，因此，必须借助于一定的检测电路，检测出这一微小电容变化量，并将其转换成电压、电流或频率，以便进行显示记录，或经A/D转换后送入计算机进行非线性补偿和数据处理。1、电桥电路电桥电路是采用最多的一种测量电路，有阻容电桥、变压器电桥、双T电桥等。四、电容式传感器的信号调理电路（1）阻容电桥C1和C2是差动电容传感器的两个电容，分别作为电桥的两个桥臂。如果是只有一个电容C1变化的传感器，则C2应配备一固定电容，电桥的另两个桥臂是相同的固定电阻。振荡器产生一个等幅高频交流电压，加在交流电桥的AC端，为交流电桥提供电源电压。UBD端为交流电桥的电压输出端，交流电桥的输出电压是一个调幅的载波信号，其频率为载波频率，而幅度受被测信号的调制，此信号经交流放大器放大和相敏检波后，得到一个与被测信号变化规律相同的电信号，该信号最后经低通滤波器去除残余载波得到输出电压。scU★要求电桥放大器的输入阻抗很高★一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5-10倍。（2）变压器电桥图中C1和C2是差动电容传感器的两个电容，分别作为电桥的两个桥臂，该桥臂的阻抗。但其电桥的另两个桥臂是相同的固定电感，为变压器的两个次级线圈，显然这两个线圈应严格对称。2211j1j1CZCZ，电桥的输出电压为1212122sc22ZZZZUUZZZUU将阻抗表达式代入上式得2121sc2CCCCUU当动极板移动x时，因有xdACxdAC0201,则有0sc2dxUU2.运算放大器式电路1）优点：改善单个变极距型电容式传感器特性的非线性关系2）原理：如图所示电路假设条件：（1）运算放大器增益非常高，输入电压若不使放大器饱和。（2）放大器的输入阻抗很高。001IcjuxII0dACx0xxscIcju1dACUU00sc（3）讨论①输出将与动极片位移d成线性关系,但由于放大器增益，输入阻抗，所以仍有一点非线性误差。scUKiZ②与电源电压、固定电容C0及电容式传感器的ε0、A等有关，任何这些参数的波动都将使输出特性产生误差，因此固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。scUU③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之间的联结，需要有屏蔽措施。④不适用于差动式电容传感器的测量。五、电容式传感器的特点及设计要点1、特点：1）温度稳定性好电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。2）结构简单，适用性强。3)动态响应好。（固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。主要缺点：输出阻抗高，负载能力差寄生电容影响大输出特性是非线性2、设计要点设计时可从以下几个方面考虑：1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能；2)消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除和减小它。d★具体措施有：①减小极间距（适当），使极径与间距比很大，可减小边缘效应，但易产生击穿现象。②使电极做得很薄。③可以设置等位环来消除边缘效应。极板间隙保护环但应该指出，边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性（边缘效应将使灵敏度下降）。3.消除或减小寄生电容的影响寄生电容与传感器的电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则影响了仪器的精度，必须消除和减小它，可采取：①增加原始电容值，可减小寄生电容的影响；②注意传感器的接地和屏蔽；③将传感器与电子线路的前置放大器装在一个壳内；④采用“驱动电缆”技术（加放大器）；⑤采用运算放大器等；⑥整体屏蔽。4.防止和减小外干扰措施：①屏蔽与接地；②增加原始电容值、降低容抗；③导线与导线要离的较远；④尽可能一点接地。5.尽量采用差动式电容传感器，可以减小非线性，提高灵敏度，减小寄生电容和减小干扰。寄生电容消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。消灭寄生电容的方法：①驱动电缆法等电位屏蔽法xC1②整体屏蔽法③采用组合式与集成技术UK1xC2xC3C4C3R4R1C例1电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用CBRR0C1C2C1L2L六、电容式传感器的应用例2电容式称重传感器FF误差平均效应例3电容式压力传感器P单只变间隙型1P2P差动式例4电容式加速度传感器惯性原理1C2C1C2C1C2Cam灵敏度：0.35mV/g/V例5容栅传感器差动变面积型误差平均效应abpp精度：10um范围：0~150mm棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯硅微加工加速度传感器原理1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。加速度传感器在汽车中的应用加速度传感