电容传感器论文.

1、滨江学院论文报告题目电容式传感器姓 名学号20102305911学 院专业电子信息工程年 级10级指导老师周欣2013年6月15 日引言用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电 学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学 量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有 关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速 度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。菖从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器， 需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。 力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压 缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又

2、都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的 相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化 相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位 移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率 要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨 率仅达到15 ym数量级；而有一种电容测微仪，他的分 辨率为0.01卩m比前者提高了两个数量级，最大量程为 ioo土5卩m因此他在精密小位移测量中受到青睐。話对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测 量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：詰(1)测量范围大其相对变化率可超过100%

3、;(2)灵敏度高如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；(3)动态响应快因其可动质量小，固有频率高，高频 特性既适宜动态测量，也可静态测量；話(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬 物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以 在咼温、低温强磁场、强幅射下长期工作，尤其是解决咼温 高压环境下的检测难题。电容式传感器工作原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式 物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作 的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组 成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2neL/lnD/d，式

4、中L为两筒相互重合部分的长 度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介 质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方 便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和 对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输 出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的 影响较大，以及联接电路较复杂等。原理及应用K电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中 其中的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。

5、根据改 变电容器的参数不同，电容传感器可有3类：2.1改变极板遮盖面积的电容传感器話图1是3种这类传感器的原理图，图1(a)中是利用角位移来改变电容器极板遮盖面积。假定当2块极板完全遮盖时的面积为So，两极板间的距离为 d,极板间介质的介电常 数为£。当忽略边缘效应时，该电容器的电容量为：如果其中一块板极相对另一极板转过e角，则极板间的相互遮盖面积为:胃面电容量也tt变化了 其僮为，C7_K 一厂厂 a-7-jG-G 頁这样电容器的电睿变代为：u)可见，此电容量的变化值和角位移成正比，以此用来测量角位移。图1(b)中是利用线位移来改变电容器极板的遮盖面积的。如果初始状态极板全部遮盖，

6、则遮盖面积So= ab，当2 块极板相对位移x时，则极板的遮盖面积变为 S=b(a-x)。在介电常数和极板距离不变时，电容量分别为:广zbC 二 T =虽一口ua电容的变化量为：5C - C - G - - C.可见，此电容量的变化值和线位移x成正比，用他来测量各类线位移。图1(c)所示电容变换器是图1(b)所示电容器的变 种。采用这种锯齿形电极的目的在于提高传感器的灵敏度。 若锯齿数为n,尺寸如图1(b)所示不变，当运动齿相对于固 定齿移动一个位移x时，则可得：AC- - -比较式(2)和式(3)可见，灵敏度提高了 n倍Ui2.2改变介质介电常数的电容传感器图2是2种改变介质介电常数的电容式

7、传感器的原理图。图2(a)常用来检测液位的高度，图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。曰曰图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极，假定部分浸入被测量液体中(液体应不能导电，若能导电，则电极需作绝缘处理)。这样，极板间的介质由2部分组成： 空气介质和液体介质，由此而形成的电容式料位传感器，由 于液体介质的液面发生变化，从而导致电容器的电容C也发 生变化。这种方法测量的精度很高， 且不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容 Cl和空气介质部分电容 C2两部 分组成:c X沁所以总电广 + & 口 弹旳 | -r)*j沏尿1. 2寵(勺耳)句In/?/r 十 InR&quo

8、t;武中I h 一电容粘的总高度,x 电容器浸入液体中的深度;爰R 同心圆电极的外半径;蕖;r 同心圆电极的内半径;扇& i 被测液体的介电常数;& 2 空气的介电常数。当容器的尺寸和被测介质确定后，则h, R r，& i和£ 2均为常数，令： r 飯简一士 令-丽;*执则有 jC aQ + toj这说明，电容量 C的大小与电容器浸入液体的深度x成正比。图2(b)是在一个固定电容器的极板之间放入被测片状材料，则他的电容量为:式中：S 电容器的遮盖面积;d i -被测物体上侧至电极之间的距离；d 2 被测物体的厚度；d 3 -被测物体下侧至电极之间的距离；曰曰&

9、#163; 1 -被测物体上侧至电极之间介质的介电常数；曰曰£ 2 -被测物体的介电常数；£ 3-被测物体下侧至电极之间介质的介电常数。由于dl+d3=d-d 2,且当£ 1 =£ 3时，式(5)还可写为:式中d 两极板之间的距离。話显然，在电容器极板的遮盖面积 S，两极板之间的距离 d,被测物体上下侧至电极之间介质的介电常数£1和£ 3确定时，电容量的大小就和被测材料的厚度d2及介电常数£ 2有关。如被测材料介电常数£ 2已知，就可以测量等厚教材料的厚度d2；或者被测材料的厚度 d2已知，就可测量其介电 常数&#

10、163; 2。这就是电容式测厚仪和电容式介电常数测量仪的 工作原理。£亨3改变极板间距离的电容传感器話图3是这类传感器的原理图， 图3(a)由2块极板构成， 其中极板2为固定极板，极板1为与被测物体相连的活动极板，可上下移动。当极板间的遮盖面积为 S,极板间介质的 介电常数为£,初始极板间距为 do时，则初始电容 Co为:当活动极板1在被测物体的作用下向固定极板 2位 移 d时，此时电容C为：电客的变化= C C* W Co ' C.当电容器的活动极板 1移动极小时，即 d«do时，上式按泰勒级数展开为：电牡器电容变化it与菽移 却之何表现為非线性 关暮，

11、只有当时I通常取¥ = 0.020n可 去除高枚项得；%r/这时电容器的变化量 AC才近似地和位移 Ad成正比。其相对非线性误差为:忑d：X 100%显然，这种单边活动的电容传感器随着测量范围的 增大，相应的误差也增大。在实际应用中，为了提高这类传 感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，常做成差动 式电容器及互感器电桥组合结构，如图3(b)所示。两边是固定的电极板1和2,中间由弹簧片支承的活动极板3。2个固定极板与互感器两端及交流电源U相连接，活动极板连接端子和互感器中间抽头端子为传感器的输出端，该输出端电压 AU随着活动极板运动而变化。若活动极板的初始位置距2个固定极板的距离均

12、为 do,则固定极板1和活动极板3之间, 固定2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为G。当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Ad时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为：£ = (/一AdJc/j = £ +谷分别为:菖当他们做成差动式电容器及互感器电桥组合结构时， 其等效电容为：AC" 禺鱼十熄尸I款+ 2虽然电容的变化量仍旧和位移Ad成非线性关系，但是消除了级数中的偶次项，使线性得到改善。当詁】时（在微小量检测中，如线膨胀测量等，一般都能满足这个条件），略去高次项，得：字捷相对非线性逞塾肚为X 貂-”¥尸丨 *菖比较式（9）和

13、式（7）可见，灵敏度提高了 1倍。a舌計匕较式（10）和式（8）可见，在叭11时，非线性误差将大大下降。电容式传感器具有如下特点（1）结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造，精度高；可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作 电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐 射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受 咼压力、咼冲击、过载等；能测超咼压和低压差。(2)动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用 能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频 率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合 于动态测量；可以用较

14、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，如振动等。(3)分辨率高由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量 低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极 小的压力、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 0.001卩m，甚至更小的位移。(4)温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选 择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定 性也极微小。(5)可实现非接触测量、具有平均效应如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等， 采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小 工件表面粗糙度等对测量的影响。不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流 电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界 干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大，电容式传感 器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路 的杂散电容以及传感