传感器第6章++电容式传感器

1、第6章 电容式传感器 6.1 6.1 电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式 6.2 6.2 传感器的等效电路传感器的等效电路 6.3 6.3 传感器的信号调理电路传感器的信号调理电路 6.4 6.4 影响传感器精度的因素影响传感器精度的因素 6.5 6.5 传感器应用传感器应用 u工作原理：工作原理：利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量 的变化。的变化。 u优点：优点：结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接 触测量。触测量。 u缺点：缺点：电容量小，输出阻抗高；存在

2、寄生电容，导致性能不电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不 稳定；有的传感器输出特性为非线性。稳定；有的传感器输出特性为非线性。 u应用：应用：位移、振动、加速度、压力、液位、湿度等。位移、振动、加速度、压力、液位、湿度等。 6.1 6.1 电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式 相对节点常数 介质、真空中介电常数、 极板间距 极板相对覆盖面积 当忽略边缘效应时 0 0 r r d A d A d A C 电容式传感器的电容极板之间存在静电场。由于极板边缘效应的 存在，使边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应，这相 当于在传感器的电容里并联了一个附加电容，

3、边缘效应不仅使电 容式传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量减小并消 除电容边缘效应的影响。 根据电容器变化参数的不同，分为3种类型： 变间隙式：测量微小（0.01m-零点几m m ）线位移； 变面积式：测量角位移或较大线位移； 变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度。 6.1.1 变间隙式电容传感器 d A d A C r0 0 0 000 3 0 2 0000 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 )()()(1 /1 / )ddd(d d C d C S d d C C d d d d d d d d d d dd dd C C d A dd A C d A C

4、n 传感器灵敏度 得近似线性关系当 电容相对变化 ，电容增量设减小当 初始电容 母、塑料膜。介电常数的材料，如云为此，极板间可采用高 穿或短路，但容易引起电容器击应减小可见，要提高灵敏度， 0 d 221 0 2211 0 21 / 111 dd A dd A C CCC 有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 。差，应增大可见，要减小非线性误 ）（ 则相对非线性误差 ）（若考虑线性项与二次项 0 0 0 2 0 000 3 0 2 0000 0 0 %100|%100 | | 1 )()()(1 /1 / d d d d d d d d d d d C C d d d d d d d d d

5、d dd C C 差动式电容传感器差动式电容传感器 %100)( 2 2 0 0 0 d d d C d C Sn 非线性误差 传感器灵敏度 差动结构的优点：差动结构的优点： p灵敏度提高一倍；灵敏度提高一倍； p非线性误差大大下降；非线性误差大大下降； p还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。 6.1.2 6.1.2 变面积式电容传感器变面积式电容传感器 （1 1）角位移式）角位移式 d A C CC d A C d A C 电容增量 时，当 时，当 00 0 )1 ( 0 0 （2 2）线位移式）线位移式 d b x C S

6、 x d b CCC d xb C d xab C d ba C n x x 灵敏度 0 0 0 )( 增大极板边长增大极板边长b b，减小间隙，减小间隙d d，都可以提高灵敏度。但边长，都可以提高灵敏度。但边长a a过大，边过大，边 缘效应会影响线性特性。缘效应会影响线性特性。 6.1.3 6.1.3 变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 （1 1）测量液位）测量液位 正比于被测液位高度可见，变换器电容增量 此时变换器电容 d D h C d D h C d D h d D h d D hH d D h C ln 2 ln )(2 ln )(2 ln 2 ln )(2 ln 2 1

7、0 11 （2 2）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导 电固体介质湿度电固体介质湿度 成线性关系。的移动量质可见，电容变化量与介 电容相对变化量 初始电容 总电容量 L L L C CC C C d bL C d LLL bCCC r r rr 2 ) 1( )( 00 0 0 0 000 0 0 0 0021 2 21 0 0 1 1 d d0 0 d d1 1 如果如果0 0 为空气介电常数，为空气介电常数， 1 1为待测体介电常数，当待测体为待测体介电常数，当待测体 介电常数介电常数1 1不变时，此时电容传感器可作为

8、测厚仪。不变时，此时电容传感器可作为测厚仪。 6.2 电容式传感器的等效电路 Rp极板间的泄漏电阻和介质损耗 Rs引线电阻、电容器支架、极板电阻损耗 L电容器本身电感和外部引线电感 因此，它有一个谐振频率，传感器要正常 工作，应选择低于传感器谐振频率的工作频 率，否则，电容器不能正常工作。 6.3 6.3 电容式传感器的信号调理电路电容式传感器的信号调理电路 1. 电桥电路电桥电路 2.2.调频电路调频电路 3.3.谐振电路谐振电路 4.4.运算放大器电路运算放大器电路 5.5.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 6.6.正反馈同相积分电路正反馈同相积分电路 To Two 目的：传感器电容值非常

9、微小，必须通过信号调理电路将微小电容变 换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录 以及传输。 1. 1. 电桥电路电桥电路 滤波滤波 K 相敏相敏 检波检波 L1 L2 C1 C2 To 4.2.3 电路灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，因此简化屏蔽和接 地，适于高频工作，应用很广泛。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高， 其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。 0 0 d d EU 将传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变 化后，振荡器的振荡频率就发生变化，通过鉴频器将频率变化转化为振 幅的变化，经放大后用仪表指示。 2. 2. 调频电路调频电路 特点：抗

10、外界干扰强，特性稳定。 To 4.2.3 调频振调频振 荡器荡器 传感器传感器 混频器混频器 限幅限幅 放大器放大器 鉴频器鉴频器 非线性非线性 校正校正 输出输出 f0fz 调频振调频振 荡器荡器 fb 直放式调频电路方框图直放式调频电路方框图 ff CCCLLC f C C C L CCCL f 0 201 0 2 1 201 0 )C(2 1 2 1 )(2 1 器的振荡频率被测量不为零时，振荡 ：传感器初始电容 ：传感器引线分布电容 ：振荡回路固定电容 ：振荡回路电感 调频振荡器的固有频率 3. 3. 谐振电路谐振电路 将传感器电容将传感器电容C C3 3作为谐振回路调谐电容（作为谐振

11、回路调谐电容（L L2 2、C C2 2、C C3 3）一部分）一部分 特点：特点： 灵敏度高；灵敏度高； 缺点：工作点不易选取，变化范围较窄；传感器与谐振缺点：工作点不易选取，变化范围较窄；传感器与谐振 回路要离得较近，否则电缆杂散电容对电路影响大；要求回路要离得较近，否则电缆杂散电容对电路影响大；要求 振荡器频率稳定，否则对测量精度影响大。振荡器频率稳定，否则对测量精度影响大。 4. 4. 运算放大器式电路运算放大器式电路 特点：特点： 能够克服变间隙电容式传感器的非线性，使能够克服变间隙电容式传感器的非线性，使VX 成线性关系成线性关系。 To 4.2.3 i u 0 C x C o u

12、 o I x I I -K 5. 5. 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 6.4 6.4 影响电容传感器精度因素及提高精度的措施影响电容传感器精度因素及提高精度的措施 To Two 6.4.1. 6.4.1. 温度的影响温度的影响 1) 对结构尺寸的影响对结构尺寸的影响 原因：温度变化引起部分零件尺寸变化，导致极板间隙或面积变化，原因：温度变化引起部分零件尺寸变化，导致极板间隙或面积变化， 产生附加电容产生附加电容。 制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料，如陶瓷或石英上制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料，如陶瓷或石英上 喷镀一层金属作为电极。喷镀一层金属作为电极。 2) 对介电常

13、数的影响对介电常数的影响 原因：介质的介电常数有不为零的温度系数，产生附加电容。原因：介质的介电常数有不为零的温度系数，产生附加电容。 可由后续测量线路进行补偿，但不可完全消除。可由后续测量线路进行补偿，但不可完全消除。 使传感器灵敏度下降使传感器灵敏度下降 输出产生零位漂移输出产生零位漂移 To Two 6.4.2 6.4.2 漏电阻漏电阻 l选用绝缘性能良好的材料作两极板支架，如陶瓷、石英等； l采用高的激励电源频率，降低传感器内阻抗。 电容式传感器的电容量很小，如果激励频率较低时，内阻抗就很高，所以电容式传感器的电容量很小，如果激励频率较低时，内阻抗就很高，所以 绝缘问题就很突出。一般的

14、绝缘电阻将被看做是对电容式传感器的一个绝缘问题就很突出。一般的绝缘电阻将被看做是对电容式传感器的一个 旁路，与之并联，称为漏电阻。旁路，与之并联，称为漏电阻。 使传感器灵敏度下降使传感器灵敏度下降 非线性增加非线性增加 To Two 6.4.3 6.4.3 边缘效应边缘效应 l增大初始电容，即增大极板面积 或减小极板间距 l加装等位环 寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生的电容联系。寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生的电容联系。 危害：使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。危害：使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。 To Two 6.4.4 6.4.4

15、寄生电容的影响寄生电容的影响 l缩短传感器至测量线路前置级的距离，即集成化。 l驱动电缆法（等电位屏蔽法） l内屏蔽层与芯线通过内屏蔽层与芯线通过1 1：1 1放大器而放大器而 等电位，从而消除芯线与内屏蔽层之等电位，从而消除芯线与内屏蔽层之 间的电容。间的电容。 l一般用于当电容传感器的电容值很一般用于当电容传感器的电容值很 小，而因某些原因，测量电路只能与小，而因某些原因，测量电路只能与 传感器分开时，可采用这种方法。传感器分开时，可采用这种方法。 l整体屏蔽法 将整个电桥用一个统一的屏蔽罩保护起来将整个电桥用一个统一的屏蔽罩保护起来 1.1.电容式测微仪电容式测微仪 用以测量金属表面状况

16、、距用以测量金属表面状况、距 离尺寸、振幅等参数，一般采用离尺寸、振幅等参数，一般采用 单极式变间隙电容传感器单极式变间隙电容传感器, ,即被即被 测物体作为传感器的一个极板，测物体作为传感器的一个极板， 另一个极板在传感器内，最小检另一个极板在传感器内，最小检 测量为测量为0.010.01m m。 6.5 6.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 2.2.差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器 To Two （动电极）（动电极） （固定电极）（固定电极）（固定电极）（固定电极） 当被测压力或 压差作用于膜 片并产生位移 时，形成一个 差动式极距型 传感器。 3.3.电容式液位传感器电容式液位传感器 4.4.硅电容式加速度传感器硅电容式加速度传感器 当有加速度施加时，活动极板（质量块）将产生微小位移，引起电容变 化，此由开关电容电路检测形成两路脉宽调制信号。而这种脉宽调制信 号产生的静电力总是阻值活动电极偏离零位，且与加速度成正比