电容传感器

第4章电容式传感器电容传感技术是在近几年来取得很大进展的，它不但被广泛地用于位移、振动、加速度等机械量的测量，而且逐步扩大应用于差压、液面、料位、成分含量等方面的测量。下页返回图库4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特点4.4电容式传感器的转换电路4.5电容式传感器的应用举例4.1电容式传感器的工作原理及类型电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、电容和电感）之一，电容式传感器就是利用电容器的原理，将非电量的变化转换为电容量的变化，进而实现非电量测量的一种传感器。一、工作原理由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为下页上页返回图库dSC式中ε--两个极板间介质的介电常数；s--两个极板相对有效面积；d--两个极板间的距离下页上页返回由上式可知，当被测参数使得电容器的介电常数、有效面积、间距发生变化时，电容量随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。二、类型根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型：改变极板间距离的变极距(或称变间隙)型、改变极板面积的变面积型、改变介质介电常数的变介电常数型。4.1电容式传感器的工作原理及类型图库1．变极距型电容传感器图4－1是变极距型电容传感器的结构原理图。图中1为固定极板；2为活动极板，其位移是被测量变化而引起的。当活动极板向上移动一定距离时，由此引起的电容增量为下页上页返回4.1电容式传感器的工作原理及类型图库dddCddddSddddSdSddSC0)1(可以看出电容增量与移动距离不是线性关系。但实际应用中若满足量程远小于极板间初始距离时，可以认为两者是线性关系。因此这种类型的电容传感器一般用来测量微小变化的量，如0.01微米至1毫米的线位移等。在实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和克服外界因素（如激励源电压、环境温度等）对测量的影响，通常把传感器做成差动结构形式，当活动极板2向上移动时，上下两个电容量将会同时发生变化，它们一个电容值随位移增加，另一个电容值则相应减小。4.1电容式传感器的工作原理及类型2.变面积型电容传感器图4－2是变面积型电容传感器的一些结构示意图。当被测量变化使活动极板产生位移时，就改变了电极间的遮盖面积，电容量C也就随之变化。对于电容间遮盖面积由S变为S’时，则电容增量为dSdSSdSdSC)'('此时电容的变化量与面积的变化量成线性关系。因此与变极距型相比，变面积型的测量范围大，可测较大的线位移或角位移。图b结构的具体定量关系。4.1电容式传感器的工作原理及类型3．变介电常数型电容传感器图4－3是变介电常数型电容传感器的结构原理图。这种传感器大多用来测量介电质的厚度（图a）、位移（图b）、液位、液量（图c），还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量（图d）等。图a测厚度的定量关系。以图(c)测液面高度为例，其电容量与被测量的关系为)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(21201120121120rrxrrhrrxrrxhC4.2电容传感器的灵敏度及非线性这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质，如图4-1情况。dsC00dsCCCddsC00)(下页上页返回图库对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：灵敏度k为3200001dddddddCdCk下页上页返回4.2电容传感器的灵敏度及非线性图库只有比值d/d0很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。减小d0，灵敏度提高；同时d0小，电容容易击穿，而且加工精度要求高，非线性误差增大。为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离d0，以保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。常采用差动式电容传感器（灵敏度提高一倍）变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。下页上页返回4.2电容传感器的灵敏度及非线性图库4.2电容传感器的灵敏度及非线性非线性误差分析：单极式差动结构作业：要求写出线性度的概念、线性度理想直线选取的种类（至少三种以上）、分析变极距型电容传感器的线性度。4.3电容传感器的特点1.边缘效应前边对电容传感器工作原理、灵敏度、非线性分析均未考虑电容极板间电场的边缘效应。在平行极板的边缘部分，电力线是弯曲的，因而产生附加电容，附加电容的存在使得电容传感器的灵敏度下降、非线性误差增大，这种现象称为电容传感器的边缘效应。因此要想办法消除和减小边缘效应的影响。4.3电容传感器的特点为了减小边缘电场对测量的影响，电极应制作得尽量薄（如在绝缘材料上蒸镀金属膜）并尽量减小极板之间的间距。以圆平行极板而言，当7502dr时，边缘电场的影响可以忽略。但间距小，电容容易被击穿并有可能限制测量范围。因此较好的办法是加防护环。图4-5带有等位环的平板电容4.3电容传感器的特点2.绝缘和屏蔽电容传感器的电容量一般都很小，仅有几个—几百个皮法，对于如此小的电容量，若激励源频率又不高，则电容传感器本身的容抗就很高，可达几兆欧至上百兆欧，可见其绝缘和屏蔽问题十分突出。绝缘问题：对于电容传感器，几兆欧的绝缘电阻只能看作是传感器的一个漏电旁路。这个漏电阻将与传感器电容构成复数阻抗而通过测量电路影响输出，而且漏电阻会随温度和湿度发生变化，带来传感器的零点漂移。4.3电容传感器的特点在选择绝缘材料时，不仅要有低的膨胀系数和几何尺寸的长期稳定性，还应具有高的绝缘电阻、低的吸湿性和高的表面电阻，如采用玻璃、石英、陶瓷等材料，而不用夹布胶木等一般电气绝缘材料。此外，采用较高的激励源频率（如数十千赫至数兆赫），以降低传感器的容抗，也相应地降低了对绝缘电阻的要求。4.3电容传感器的特点屏蔽问题：寄生分布电容使传感器电容量改变，由于传感器本身电容量小，并且寄生分布电容又极不稳定，这就导致传感器特性的不稳定。克服寄生电容影响最常用的办法：是对传感器电容及其引出线采取屏蔽措施，即将传感器电容置于金属壳体内，然后将金属壳体接大地，这样就消除了传感器电容与壳体外部导体之间不稳定的寄生电容耦合；金属外壳屏蔽同时起到了消除外界静电场和交变电磁场的干扰作用。同样，传感器电容的引出线必须采用屏蔽线，其屏蔽层应良好接地。4.3电容传感器的特点但是，尽管采用接地良好的屏蔽线，对电容传感器仍存在下列两个问题：①屏蔽线本身电容量大，大的每米可达上百微微法。当屏蔽线较长且其电容与传感器电容相并联，使传感器的电容相对变化大大降低，因而使传感器的灵敏度大大降低。②电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有很大变化，这将使传感器特性不稳定。4.3电容传感器的特点电缆电容的影响是电容传感器需要解决的关键技术问题，集成电路技术的发展，为此问题的解决创造了良好条件。一种解决方法是将测量电路的前级或全部放大环节装在离传感器机械部分很近的位置，以尽量缩短屏蔽线的长度，从而减小电缆电容的影响。另一种方法是采用驱动屏蔽技术。4.3电容传感器的特点3.电容传感器的特点优点缺点下页上页返回图库4.电容式传感器的等效电路图4-4优点：①需要的作用能量低②动态响应快③本身发热的影响小④结构简单，适应性强，能在恶劣环境条件下工作4.3电容传感器的特点下页上页返回图库缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大③输出特性非线性4.3电容传感器的特点下页上页返回图库4.4电容式传感器的转换电路电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，为了满足实际测量或控制的应用，还需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型下页上页返回图库调制型（分为调频电路和调幅电路）脉冲型(或称为电容充放电器)4.4电容式传感器的转换电路脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种性能较好、较常用的电路是下页上页返回图库动画演示双T型充放电网络脉冲调宽型电路运算放大器式电路这种电路的优点：克服变极距型传感器的非线性输出。4.5电容式传感器的应用举例电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。下页上页返回图库4.5电容式传感器的应用举例图4-19差动式电容压力传感器图4-21电容式加速度传感器结构示意图图4-22电容式料位传感器图4-23电容式振动位移传感器图4-24电容式振动位移传感器应用示意图下页上页返回图库