传感器第三章

1、机械与电子工程学院机械与电子工程学院 第第3章章 电容式传感器电容式传感器 3-1 3-1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 1 n电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变 化的一种传感器。化的一种传感器。 n电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、 加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大 到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方 面的测量。面的测量。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 2 用两块金属平板作

2、电极可构成电容器，当忽略边缘效应用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应 时，其电容时，其电容C为为 S极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； d极板间距离；极板间距离；r相对介电常数；相对介电常数； 0 真空介电常数，真空介电常数，0 8.85p pF/m； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。 、S和和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容中的某一项或几项有变化时，就改变了电容 C0 0、d或或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也的变化可以反映线位移或角位移的变化，也 可以间接反映压力、加速度等的变化；可以间接反映压力、加速度等的变化； r 的变化则可反的变化则

3、可反 映液面高度、材料厚度等的变化。映液面高度、材料厚度等的变化。 0r SS C dd S d 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 一、变面积一、变面积( (S S) )型型 3 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 二、变介质介电常数型二、变介质介电常数型 4 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度 、液位液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变 而改变来测量介质材料的而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。在电容器两极板在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也

4、就不同。间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器 的电容量与被液位的关系为的电容量与被液位的关系为 液位传感器 h C 1 C C2 12 2121 22() ln(/ )ln(/ ) xx x hhh CAKh rrrr 可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。 2r2 2r1 hx 2 21 2 ln(/ ) h A rr 12 21 2 () l

5、n(/ ) K rr 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 6 例例 某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm40mm和和8mm8mm的两个同心圆柱体组的两个同心圆柱体组 成。储存灌也是圆柱形，直径为成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm50cm，高为，高为1.2m1.2m。被储存液体的。被储存液体的 r r 2.12.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存 灌内传感器的灵敏度灌内传感器的灵敏度(pF/L)(pF/L) 解：解： pF mmpF r r H C46.41 5ln 2 . 1)/85. 8(2 ln 2 1

6、 2 0 min pFpF r r H C r 07.872 . 146.41 ln 2 1 2 0 max Lm m H d V6 .2352 . 1 4 )5 . 0( 4 22 LpF L pFpF V CC K/19. 0 6 .235 46.4107.87 minmax 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 7 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 三、变极板间距三、变极板间距(d)(d)型型 8 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些小些 还是大些？当变间隙式电容传感器的初始极距还是大些？当变间隙式电容传感器的初始极距d d0

7、0较较 小时，它的测量范围变大还是变小？小时，它的测量范围变大还是变小？ 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 差动电容传感器差动电容传感器 9 .)()(1 /1 1 3 0 2 00 0 0 01 d d d d d d C dd CC .)()(1 /1 1 3 0 2 00 0 0 02 d d d d d d C dd CC 35 120 000 22()2(). ddd CCCC ddd 非线性误差： %100)(%100 )/(2 )/(2 2 00 3 0 d d dd dd 灵敏度： 00 2Cd Cd 35 00000 22()2().2 Cdddd Cdddd 机械与电子

8、工程学院机械与电子工程学院 3-2 3-2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 一、等效电路一、等效电路 L表示传感器各连线端端间的总电感：表示传感器各连线端端间的总电感： Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C为传感器本身的电容；为传感器本身的电容； Rp为并联电阻，它包括了电极间直流电阻和气隙中为并联电阻，它包括了电极间直流电阻和气隙中 介质损耗的等效电阻；介质损耗的等效电阻； c Z s R L C p R 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 等效阻抗等效阻抗 2 222222 ()() 11 pp cs pp R C R Z

9、RjL R CR C 由于并联电阻由于并联电阻 很大，上式经简化后得等效电容很大，上式经简化后得等效电容 22 0 11 (/) E CC C LCff p R 0 1 2 f LC 其中其中 为电路的谐振频率为电路的谐振频率 2f 传感器传感器的的有效灵敏度有效灵敏度为：为： 可见：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须可见：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须 对测量系统重新进行标定对测量系统重新进行标定 2 1 E E C C C CLC 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 二、测量电路二、测量电路 （一）交流不平衡桥（一）交流不平衡桥 如图如图3-8所示：所示： Z1为电容传感器阻

10、抗，当为电容传感器阻抗，当Z1 Z4 Z2 Z3， 则则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化当被测参数变化时引起传感器阻抗变化Z ，其输出为：其输出为： 1 12 31 24 1 2 2 1 2 ()() (1)(1) ()() (1) SC ZZ ZZ UE ZZ ZZ ZZ ZZ E Z Z 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 1 12 2 2 (1) (1) SC ZZ ZZ A A A UEKE A 令 为传感器阻抗相对变化值；A=为桥臂比， K=为桥臂系数 则： 1 2 111 1 1 22 j j j ZCd ZCd Z eZ e ZZ e 一般可有如下关系： 故：A=

11、 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 2 2 2 (1) () j e 2 1 -1 2 1+A 所以：K=k=f( , ) (1+A) 则：k=f( , ) 1+2 cos + cos =actanf( , ) 21+cos 桥臂系数的模、相角与的关系曲线，如图3-9所示： 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 16 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 （二）二极管环形检波电路 如图3-10所示： 图3-10 二极管环形检波电路 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 是高频电源， 为特性完全相同的两个二极管, 为传感器的两个差动电容， 为负载 电阻。

12、 L R 12 RRR ， 12 CC、 12 DD、U 其工作原理如下： 线路接通后，在正半周时D1导通，D2截止，C1充电至U， 在负半周D1截止,D2导通，C2充电至U，同时C1经R1以电 流I1向负载RL供电；第二周期,C1充电,C2经R2向RL供电， 由于C1=C2, R1=R2 ,通过RL的平均电流为零,其输出电压 平均值也为零。当传感器电容变化时， C1C2这时负 载上平均电流I10，其输出电压的平均值为： 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 f为电源频率，当RL已知时： 为常数，则： 2 (2) () LLL KR R RRRR 012 () iUKU f CC 其特点：(1

13、)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接 地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，故非线性失真小； (3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定； (4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电 容影响，线路简单；(5)输出电压较高；(6)输出阻抗与电 容C1、C2无关，而仅与R1、R2 及RL有关；(7)输出信号的上 升沿时间取决于负载电阻RL，可用于动态测量；(8)传感 器的频率响应取决于振荡器的频率。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 （三）差动脉冲宽度调制电路 如图3-11所示： 图3-11 差动脉冲调宽电路原理图 C1C2-传感器的两 个差动电容； A

14、1A2-两个电压比 较器； Ur-参考直流电压 由分析可得出：电路充放电的时间，即触发器输出方波 脉冲的宽度受电容C1C2调制，当C1C2时， 和 两端电平 的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零，如图3-12（a) 所示: QQ 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 图3-12 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 当时 ，各点的电压波形如图3-12(b)所示 ： 12 CC 经低通滤波后，就可得到一直流电压 ： AB u 0 U 1212 011 1212 TTCC UUU TTCC T1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电位。 当该电路用

15、于差动式变极距型电容传感器时，可有： 01 0 d UU d 对于差动变面积式电容传感器，可有： 01 0 S UU S 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 由上分析可见： 差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路，无波 形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出， 直流信号的极性取决于C1和C2 ；对变极距和变面积的电 容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于 与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 （四）运算法测量电路 如图3-13所示： 图3-13 运算放大器式电路原理图 图中Cx是传感器的电容， 是交流电源电压， 是输出电

16、压信号。由运算放大器的工作原理可有： i U 0 U 0 1 1 x ii x j CC UUU j CC 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 如果是变极距式的电容传感器，则有： 0ix C UUd S “”号表示输出电压与电源电压反相。 上式表明： 运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系， 从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题。 运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非 线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而 且输入阻抗很高。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 26 3-3 3-3 电容式电容式 特点及误差分析特点及误差分析 1 1温度稳定性好温度稳定性好 传感器的

17、电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极 的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、 温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可 ，其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。而电阻式传感器 有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流 损耗等，引起本身发热产生零漂。 2 2结构简单，适应性强结构简单，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恶劣的环境条件下工作，适应能力强 ，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过 载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对 带磁带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便 实现某些特殊

18、要求的测量。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 2727 3 3动态响应好动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N） ，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄 ，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几 MHz的频率下工作，特别适合动态测量。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。它可用于测量高速变 化的参数，如测量振动、瞬时压力等。 4 4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测 量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均

19、效应,可以 减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力 极小，因此所需输入能量极小输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量 ，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得 很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 2828 不足： 1 1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十 到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的 交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差 ，易受外界干扰影响而产生不稳定

20、现象，严重时甚至无法工作， 必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求 传感器绝缘部分的电阻值极高（几十M以上），否则绝缘部分 将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还 要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高 频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复 杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 2929 2 2寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线 可达800pF)、测量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其周围传感器极板与其周围 导体构成

21、的电容导体构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较大，降低了传感器的 灵敏度；这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传 感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量 引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择 、安装、接法有要求 3 3、输出特性非线性、输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，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时，输出特性才呈线性。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。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 30 30 2 2消除和减小边缘效应消除

22、和减小边缘效应 适当减小极间距减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘 效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得 极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。此 外，可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在 同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能 使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而 发散的边缘电场发生在等 位环3外周不影响传感器两 极板间电场。 带有等位环的平板电容 传感器结构原理图 均匀电场 1 2 3 3 边缘电场 边缘效应引起的非线性与变极距 型电容式传感器原理上的非线性 恰好相反，在一

23、定程度上起了补 偿作用。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 3131 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm， 圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或工作长度工作长度来增加原始电 容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构 等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的 变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用 方法： 3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小

24、寄生电容的影响 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽；（）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化 （4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术 （5 5）采用运算放大器法；）采用运算放大器法； 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 32 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与 连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良 导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间 的电容值将保持不变， 从而

25、消除了由此产生的 虚假信号。 引线电缆也必须屏 蔽在传感器屏蔽壳内。 为减小电缆电容的影响 ，应尽可能使用短而粗 的电缆线，缩短传感器 至电路前置级的距离。 绝缘体屏蔽壳固定极筒 可动极筒 连杆 导杆 接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 33 （3 3）集成化）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去 传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变固定不变， 使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、 低温或环境差的场合使用。 （4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技

26、术 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度 较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技 术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其内屏 蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从 而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。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“驱动电缆”。采用这种 技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能，如图。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 34 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏 蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗 要求很高

27、、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达准确度要求达 1/ /10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术 对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容 值小于1pF时，也能正常工作。 1：1 测量 电路 前置级 外 屏 蔽 层 内 屏 蔽 层 芯线 传感器 “驱动电缆”技术原理 图 当电容式传感器的 初始电容值很大(几百 F)时，只要选择适当 的接地点仍可采用一 般的同轴屏蔽电缆， 电缆可以长达10m，仪 器仍能正常工作。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 35 5 5防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应

28、出电压并与信 号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪 器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一 种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措 施归纳为： u屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等 等。 u增加原始电容量，降低容抗。 u导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列， 若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 u尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印 制线。 u采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度 ，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 3

29、6 电容式传感器的应用 1、电容式差压变送器 1高压侧进气口高压侧进气口 2低压侧进气口低压侧进气口 3过滤片过滤片 4空腔空腔 5柔性不锈钢波纹隔离膜片柔性不锈钢波纹隔离膜片 6导压硅油导压硅油 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9弹性平膜片弹性平膜片 10 腔腔 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 37 高压侧高压侧 进气口进气口 低压侧低压侧 进气口进气口 电子线电子线 路位置路位置 内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 38 2、电容式液位计 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 39 机械与电子工程学院机械与电子工程

30、学院 40 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送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。但也可以选择时，它输出低电平。但也可以选择 输出为高电平的型号。输出为高电平的型号。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 41 液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定 方法十分简单：方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当用手指压住设定按钮，当 液位达到设定值时，放开按液位达到设定值时，放开按 钮，智

31、能仪器就记住该设定钮，智能仪器就记住该设定 。正常使用时，当水位高于。正常使用时，当水位高于 该点后，即可发出报警信号该点后，即可发出报警信号 和控制信号。和控制信号。 设定按钮设定按钮 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 42 3、加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量 交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其 工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输 出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的 PWM 脉冲。 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 43 微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器 技术指标：技术指标： 灵敏度：灵敏

32、度：500mV/g， 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz 安装谐振点安装谐振点:8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性误差：线性误差：1% 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 44 硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元加速度测试单元 2信号处理电路信号处理电路 3衬底衬底 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极） 机械与电子工程学院机械与电子工程学院 45 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。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。梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测 试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试