传感器原理及检测技术_第4章_电容式传感器原理及其应用-B

1、3. 3. 双双T T形电桥电路形电桥电路 双双T型电桥连接型电桥连接 正半周正半周 负半周负半周 双T形电桥电 路如图所示， 高频电源u提 供幅值为U的 方波。 4. 4. 运算放大器式测量电路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： 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

2、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。 0 u d A i Z 0 C （5 5） 调频电路调频电路 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

3、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。 m01. 0 （6 6）差动脉冲宽度调制电路）差动脉冲宽度调制电路 差动脉冲宽度调制电路如图所示，它是利用对传感器电容的充放电使电路差动脉冲宽度调制电路如图所示，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。应被测量变化的直流信号。 差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形如图所示。 4.3 4.3 电容式传感器的特点及设计

4、改善措施电容式传感器的特点及设计改善措施 1. 1.电容传感器的优缺点电容传感器的优缺点 （1 1）电容式传感器的优点）电容式传感器的优点 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。进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。 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

5、间 的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适用于低能量输的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适用于低能量输 入的测量。入的测量。 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。别适合动态测量。 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、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

6、恶劣的环境条件下工作，适应能力强。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 2）电容式传感器的缺点）电容式传感器的缺点 输出阻抗高，带负载能力差：电容的容抗大还要求传感器绝输出阻抗高，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、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。清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。 输出特性为非线性：虽可采用差动结构来改善，但不可能完输出特性为非

7、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。将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。 寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容很小，而其引线寄生电容影响大：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 成的电容等成的电容等“寄生电容寄生电容”却较

8、大。例如，将信号处理电路安却较大。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。装在非常靠近极板的地方可以削弱泄露电容的影响。 2. 2. 电容式传感器的设计改善措施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；计、选材以及精细的加工工艺分不开的； （1 1）消除和减小边缘效应）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，

9、应尽量减小或消除。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。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，如图所示。应，如图所示。 （a）电容器的边缘效应）电容器的边缘效应 （b）带有等位环的平板式电容器）带有等位

10、环的平板式电容器 等位环消除电容边缘效应原理图等位环消除电容边缘效应原理图 （2 2）保证绝缘材料的绝缘性能）保证绝缘材料的绝缘性能 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；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； 传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮；传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮； 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；传感器的电介质； 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传感器内所

11、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；安装时变形； 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、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

12、 等。等。 （3 3）减小或消除寄生电容的影响）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：影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法： 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

13、小电容式传感器极板之间的距离，增大有效覆盖面。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。积来增加初始电容值。 采用驱动电缆技术：驱动电缆技术又叫双层屏蔽等电位传输采用驱动电缆技术：驱动电缆技术又叫双层屏蔽等电位传输 技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。 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 1的同相放的同相放 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 1，且输入，且输入 输出的相移为零。输出

14、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“驱动电驱动电 缆缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。 等电位等电位 驱动电缆技术原理图驱动电缆技术原理图 采用运算放大器法：运算放大器法的原理如图所示。它利用运算放大器 的虚地来减小引线电缆寄生电容 。 P C 运算放大器法运算放大器法 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 ， 为运算放大器的开环放大倍数，因而大大减小了电

15、缆电容的影响。 )1/(ACP A 4.4 4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器的应用非常广泛，它可用来测量液位和物位、电容式传感器的应用非常广泛，它可用来测量液位和物位、 压力、加速度、直线位移、角度和角位移、厚度、振动和振幅压力、加速度、直线位移、角度和角位移、厚度、振动和振幅 、转速、温度、湿度及成分等参数。、转速、温度、湿度及成分等参数。 1. 1. 电容式压力传感器电容式压力传感器 下图所示是典型的差动电容式压力传感器。其主要结构为一个下图所示是典型的差动电容式压力传感器。其主要结构为一个 膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动膜片动电极和两个在

16、凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动 电容器。电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两 个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经 测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 例例1 1：差动电容式压力传感器：差动电容式压力传感器 电容式压力传感器常用来测量气体或液体的压力，其外形结 构如图所示。 2. 2.电容式加速度传感器电容式加速度传感器 差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板（

17、与外壳绝差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板（与外壳绝 缘）和一个质量块组成，中间的质量块采用弹簧片来进行支缘）和一个质量块组成，中间的质量块采用弹簧片来进行支 撑，它的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。撑，它的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。 （3 3）电容式位移传感器）电容式位移传感器 图示为一种圆筒式变面积型电容式位移传感器。它采用差动式结构，其固 定电极与外壳绝缘，其活动电极与测杆相连并彼此绝缘。 测量时，动电极随被测物发生轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电 极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。 开槽弹簧片为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏

18、度高，但行程小， 主要用于接触式测量。 电容式传感器还可以用于测量振动位移，以及测量转轴的回 转精度和轴心动态偏摆等，属于动态非接触式测量，如图所 示。 （a）振幅测量）振幅测量 （b）轴的回转精度和轴心偏摆测量）轴的回转精度和轴心偏摆测量 电容式传感器在振动位移测量中的应用电容式传感器在振动位移测量中的应用 图（图（a a）中电容传感器和被测物体分别构成电容的两个电极，）中电容传感器和被测物体分别构成电容的两个电极， 当被测物发生振动时，电容两极板之间的距离发生变化，从当被测物发生振动时，电容两极板之间的距离发生变化，从 而改变电容的大小，再经测量电路实现测量。而改变电容的大小，再经测量电路

19、实现测量。 图（图（b b）所示电容传感器中，在旋转轴外侧相互垂直的位置放）所示电容传感器中，在旋转轴外侧相互垂直的位置放 置两个电容极板，作为定极板，被测旋转轴作为电容传感器置两个电容极板，作为定极板，被测旋转轴作为电容传感器 的动极板。的动极板。 测量时，首先调整好电容极板与被测旋转轴之间的原始间距测量时，首先调整好电容极板与被测旋转轴之间的原始间距 ，当轴旋转时因轴承间隙等原因产生径向位移和摆动时，定，当轴旋转时因轴承间隙等原因产生径向位移和摆动时，定 极板和动极板之间的距离发生变化，传感器的电容量也相应极板和动极板之间的距离发生变化，传感器的电容量也相应 的发生变化，再经过测量转换电路

20、即可测得轴的回转精度和的发生变化，再经过测量转换电路即可测得轴的回转精度和 轴心的偏摆。轴心的偏摆。 （4 4） 电容式液位传感器电容式液位传感器 电容式液位传感器的结构如图所示。测定电极安装在容器的顶部，容器壁电容式液位传感器的结构如图所示。测定电极安装在容器的顶部，容器壁 和测定电极之间构成了一个电容器。和测定电极之间构成了一个电容器。 当容器内的被测物有一定液位高度时，由于被测物介电常数的影响，传感当容器内的被测物有一定液位高度时，由于被测物介电常数的影响，传感 器的电容发生变化，电容的变化量与被测液位的高度成线性关系。只要通器的电容发生变化，电容的变化量与被测液位的高度成线性关系。只要

21、通 过测量转换电路检测出电容的变化量，就可以测出液位的高度。过测量转换电路检测出电容的变化量，就可以测出液位的高度。 传感器的电容量可表示为：传感器的电容量可表示为： 可见，电容器的电容量与被测液位高度成线性关系，且两种介质的介电常可见，电容器的电容量与被测液位高度成线性关系，且两种介质的介电常 数相差越大、容器的内径与电极的直径相差越小，传感器的电容变化量就数相差越大、容器的内径与电极的直径相差越小，传感器的电容变化量就 越大，灵敏度就越高。越大，灵敏度就越高。 由于被测对象的性质不一样，不同介质的导电性能不相同，由于被测对象的性质不一样，不同介质的导电性能不相同， 电容式液位传感器在不导电

22、液体和导电液体的液位测量过程电容式液位传感器在不导电液体和导电液体的液位测量过程 中，其结构也会有差别，如图所示。中，其结构也会有差别，如图所示。 电容式液位传感器的结构电容式液位传感器的结构 电容式液位传感器被广泛使用于工业测量中。几类常见的电容式液位传感电容式液位传感器被广泛使用于工业测量中。几类常见的电容式液位传感 器如图所示。器如图所示。 （a）棒式探极）棒式探极 （b）同轴探极）同轴探极 （c）缆式探极）缆式探极 几类常见的电容式液位传感器几类常见的电容式液位传感器 下图所示为电容式传感器在油箱液位检测中的应用 （5 5）电容式测厚传感器）电容式测厚传感器 电容式传感器测厚的原理如图

23、所示。在被测带材的上下两侧电容式传感器测厚的原理如图所示。在被测带材的上下两侧 各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板 与带材之间形成两个独立电容。与带材之间形成两个独立电容。 若带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电若带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电 容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材 厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。 下图所示为电容式测厚传感器在板材轧制装置中的应用电路。两块极板用下图所示为电容式测厚传感器在板材轧制装置中的应用电路。两块极板用 导线连接成一个电极，而板材就是电容的另一个电极，其总电容为：导线连接成一个电极，而板材就是电容的另一个电