第3章 电容式传感器

1、第3章 电容式传感器电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的-种传感器。在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成份分析的测量等方面是到了广泛的应用。特点：测量范围大。相对变化量可达100%灵敏度高，相对变化量可达10-7动态响应时间短，可动部分质量可很小机械损失小，无摩擦存在结构简单，适应性强1第3章 电容式传感器2第3章 电容式传感器3 3-1 电容式传感器的工作原理 用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为 0rSSCdd 式中 C电容量； S极板间相互覆盖面积； d两极板间距离； 两极板间介质的介电常数； 0真空的介电常数

2、，为 pF/cm； r介质相对真空的介电常数，对于空气介质 1。13.6第3章 电容式传感器 3-1 电容式传感器的工作原理、S S、d d三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数可以使电容量可以使电容量C C 改变。这就是电容式传感器的基本原理。改变。这就是电容式传感器的基本原理。一般电容式传感器可以分成以下三种类型： 变面积(S)型； 变介质介电常数()型 变极板间距(d)型4第3章 电容式传感器5 一、变面积(S)型 这种类型的电容传感器大多用来检测位移等参数，如下图 (a)、(b)所示。 (a)角位移式 (b)直线位移式 3-1 电容式传

3、感器的工作原理 第3章 电容式传感器6 一、变面积(S)型(a)角位移式 3-1 电容式传感器的工作原理 当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积S就改变，因而改变了两极板间的电容量。 当=0时 当0时0pF3.6rSCd011pF3.6rSCCd 由此可见，电容C与角位移呈线性关系第3章 电容式传感器7 一、变面积(S)型(b)直线位移式 3-1 电容式传感器的工作原理 设两矩形极板间覆盖面积为S，当其中一极板移动距离x时，则面积S发生变化，电容量也改变。 此传感器灵敏度K可由下式求得 01pF3.6rxb axxCCda0 xdCCKdxa 增大初始电容可以提高传感器的灵敏度。但x变化不能太大

4、，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性。第3章 电容式传感器812 二、变介质介电常数()型 3-1 电容式传感器的工作原理 右图是一种电容液面计的原理图。在被测介质中放入两个同心圆柱状极板1和2。若容器内介质的介电常数为 ，容器介质上面气体的介电常数为 ，当容器内液面变化时，两极板间电容量C 就会发生变化。 容器中液体介质浸没电极1和2的高度为h1，总的电容C为： 空气介质液体介质电极1电极2液体介质间的电容量气体介质间的电容量21CCC1222122ln(/ )ln(/ )hhhCR rR r1 122ln(/ )hCR r h 电极总长度；R、r 两个同心圆电极半径。第3章 电容式传感器

5、9 二、变介质介电常数()型 3-1 电容式传感器的工作原理 空气介质液体介质电极1电极2121 11222ln(/ )ln(/ )hhhCCCR rR r 总电容量：211222()ln(/ )ln(/ )hhR rR r 22ln(/ )hAR r 1122()ln(/ )hKR r若令1CAKh电容量C与液位高度h1成线性关系第3章 电容式传感器10 物质名称相对介电常数 物质名称相对介电常数 水 丙三醇 甲醇 乙二醇 乙醇 白云石 盐 醋酸纤维素 瓷器 米及谷类 纤维素 砂 砂糖 80 47 37 3540 2025 8 6 3.77.557353.9353 玻璃 硫磺 沥青 苯 松节

6、油 聚四氟乙烯塑料 液氮 纸 液态二氧化碳 液态空气 空气及其他气体 真空 云母3.73.42.72.33.21.82.2221.591.511.2168表3-1 相对介电常数rr第3章 电容式传感器11 右图是另一种变介电常数()的电容传感器。极板间两种介质厚度分别是 和 ，则此传感器的电容量等于两个电容C0和C1相串联，即即图变的电容传感器0d1d0101010101013.63.63.63.6SSC CddCSSCCdd 二、变介质介电常数()型 3-1 电容式传感器的工作原理 其中0，S， d0, 均已知且固定，C可测。若d1固定，由上式可得1若1 固定，由上式可得d1介电常数测量仪测

7、厚仪第3章 电容式传感器12极板1固定不动，极板2为可动电极(即称动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距 变化，从而使电容量产生变化。变d的电容传感器C-d特性曲线0d 三、变极板间距(d)型 3-1 电容式传感器的工作原理 C随d变化的函数关系为一双曲线电容量C与极板间距d成非线性关系第3章 电容式传感器13变d的电容传感器 三、变极板间距(d)型 3-1 电容式传感器的工作原理 非线性分析：初始电容量003.6SCpFd其中，d0动片2未动时极板间距当间距d0减小d 时，则电容量003.6 ()SCCdd00013.6 (1)(1)SCdddd0001ddCdCd23000001

8、CddddCddddd d0 展开为级数形式第3章 电容式传感器14 三、变极板间距(d)型 3-1 电容式传感器的工作原理 非线性分析：23000001CddddCdddd00CdCd忽略高次项d/d0 1的情况。 二、测量电路 3-1 电容式传感器的测量电路 (一)交流不平衡电桥第3章 电容式传感器2612( , )12 cosakKf aaa桥臂系数的模与a和的关系：由图可看出：当a=1时，k为最大值km， km随而变。当=0时， km =0.25；当=90时， km =0.5；当=180时， km 。这时电桥为谐振电桥，但桥臂元件必须是纯电感和纯电容。实际上不可能做到，因此km也不可能

9、达到无限大。 总之在桥路电源电压E和传感元件阻抗相对变化量一定时，欲使电桥电压灵敏度最高，应满足两桥臂初始阻抗的模相等，即 ，并使两桥臂阻抗幅角差尽量增大的条件。 12ZZ 二、测量电路 3-1 电容式传感器的测量电路 (一)交流不平衡电桥第3章 电容式传感器27桥臂系数的相角与a和的关系：21221sinarctan( , )21cosafaa由图可看出：当a=1时， =0；a 时，趋于最大值 ，并且 等于。只有=0时， 值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源E之间有相移，即0，只有当桥臂阻抗模相等 或两桥臂阻抗比的幅角=0时，无论a为何值，均为零。即输出电压 与电源E同相位。mm1

10、2ZZSCUSCU 二、测量电路 3-1 电容式传感器的测量电路 (一)交流不平衡电桥第3章 电容式传感器28EUrkaSC25. 0025. 001；EUrkaSC25. 0025. 001；EUrkaSC5 . 005 . 09010；EEUrkaSC5 . 0205 . 09010； 二、测量电路 3-1 电容式传感器的测量电路 (一)交流不平衡电桥采用同样的元件，若接法不同，灵敏度也不同，c图比b图提高一倍；d图比c图又提高一倍。第3章 电容式传感器29电容传感器的现实电容传感器的现实：温度变化膨胀系数结构尺寸变化电容受温度影响 边缘效应 寄生电容 分布电容三、误差分析 第3章 电容式

11、传感器30 (一)温度对结构尺寸的影响 三、误差分析 图3-16 电容测压传感器设初始温度为 时，电容传感器工作极片与固定极片的间隙 为0t0d012dLhh绝缘材料工作极片固定极片温度变化t后1212111tLhhdLththt 外壳膨胀系数绝缘材料膨胀系数固定板膨胀系数第3章 电容式传感器31 (一)温度对结构尺寸的影响 三、误差分析 图3-16 电容测压传感器绝缘材料工作极片固定极片0t12120hhLhhL120Lhhd12120110hhLLhhd根据材料的线膨胀系数 ，适当地选择h1和h2可实现温度补偿。12hhL、第3章 电容式传感器32理想理想：平行板电容器的电场均匀分布于两极

12、板所围成的空间。 现实现实：边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器的灵敏度下降和非线性增加。增大初始电容量，即增大极板面积，减小极板间距。加装等位环 (二)电容电场的边缘效应 三、误差分析 第3章 电容式传感器33 (三)寄生与分布电容的影响 三、误差分析 极板与周围物体(各种元件甚至人体)也产生电容联系寄生电容传感器特性不稳定静电屏蔽，即屏蔽电缆解决产生新问题电缆分布电容第3章 电容式传感器34 (三)寄生与分布电容的影响 三、误差分析 电缆分布电容 当屏蔽线较长时，其本身电容（分布电容）很大，往往大于传感器的电容量，使传感器电容相对变化量大为降低，导致传感器灵敏度显著下降

13、导致传感器灵敏度显著下降。 电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定造成传感器特性不稳定驱动电缆技术原理是使用电缆屏蔽层电位跟踪跟踪与电缆相连接的传感器电容极板电位。CX是传感器的电容C0是放大器的输入电容第3章 电容式传感器35 (三)寄生与分布电容的影响 三、误差分析 该方法对11放大器的要求是:输入电容等于零，输入阻抗无穷大，相移为零。在技术上实现上述要求比较困难。当传感器电容CX很小或与放大器输入电容相差无几时，会引起很大相对误差。因此，该线路适用于CX较大的传感器。-AUC0CxUU01-AaU0202XCUU01XCUUU1UAUUA 0201a

14、aUAUA A U 1aUAA A U11aAA 等电位条件第3章 电容式传感器36三、电容式传感器的应用 电容式差压变送器具有构造简单、小型轻量、精度高(可达0.25%)、互换性强等优点。具有如下特点：变送器感压腔室内充灌了温度系数小、稳定性高的硅油作为密封液；为了使变送器获得良好线性度，感压膜片采用张紧式结构；变送器输出为标准电流信号；动态响应时间一般为0.215 s。 (一)电容式差压变送器 (a)二室结构 (b)一室结构图第3章 电容式传感器37三、电容式传感器的应用 (一)电容式差压变送器 (a)二室结构 测量膜片(或隔离膜片) 与被测介质直接接触； 感压膜片在圆周方向张紧为可动电极

15、； 两边的测量膜片与中间的感压膜片分别构成一室，故称二室结构。 感压膜片与两个固定电极构成差动式球平面型电容传感器CL和CH。 固定球面电极是在绝缘体6上加工而成。绝缘体一般采用玻璃或陶瓷，在它的表面蒸镀一层金属膜(如铝)作为电极。 感压膜片的挠曲变形，引起差动电容CL和CH变化，经测量电路将电容变化量转换成标准电流信号。测量膜片测量膜片感压膜片固定电极固定电极绝缘体第3章 电容式传感器38三、电容式传感器的应用 (一)电容式差压变送器 (b)一室结构 测量膜片与被测介质接触； 中心轴把测量膜片和可动平板电极连为一体； 片簧把可动电极在圆周方向张紧； 在绝缘体上蒸镀金属层而构成固定电极，并与可动电极构成平行板式差动电容。 在可动电极与测量膜片间充满硅油作为密封液，并有通道经节流孔将两电容连通，所以称为一室