第6章电容式传感器

1、第6章 电容式传感器6.16.1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6.26.2传感器的等效电路传感器的等效电路6.36.3传感器的信号调理电路传感器的信号调理电路6.46.4影响传感器精度的因素影响传感器精度的因素6.56.5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；存在寄生电容，导致性能不电容量小，输出阻抗高

2、；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、液位等。位移、振动、加速度、压力、液位等。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常数电容极板间介质的介电真空介电常数相对介电常数极板间距极板面积00rrdAdAdAC根据电容器变化参数的不同，分为3种类型：变间隙式变面积式 变介电常数式6.1.1 变间隙式电容传感器0000030200000000000001)()()(1 /1/dddCdCSddCCddddddddddddddCCdAddACdACn传感器灵敏度得近似

3、线性关系当电容相对变化减小当初始电容母、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，0d。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00020000302000000%100|%100|1)()()(1 /1/dddddddddddCCddddddddddddCC差动式电容传感器差动式电容传感器%100)(22000dddCdCSn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

4、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dACCCdACdAC00)1(（2 2）线位移式）线位移式dbxCSxdbCCCdxabCdbaCnxx00)( 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不宜过小，不宜过小，否则边缘效应会影响线性特性。否则边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dDhCln)(21（2 2）测量非导电介质厚度、

5、湿度）测量非导电介质厚度、湿度时）电容相对变化量时）初始电容总电容量1() 1(0()(10000000100000021221rrrrrLLCCCCCLdbLCdLLLbCCC6.2 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注意：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1. 1. 电桥电

6、路电桥电路滤波滤波K相敏相敏检波检波L1L2C1C2 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。2. 2. 调频电路调频电路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 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。抗外界干扰强，特性稳定等3. 3. 谐振电路谐振电路 4. 4. 运算放大器式电路运算放大器式电路

7、该电路的特点：该电路的特点： 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。iu 0CxCou oIxII-K5. 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 6.4.1. 6.4.1. 温度的影响温度的影响对结构尺寸的影响对结构尺寸的影响1) 原因：温度变化导致极板间隙或面积变化，产生附加电容原因：温度变化导致极板间隙或面积变化，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。制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。 2) 对介电常数的影响

8、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：寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生的电容联系

9、。电容器极板与周围物体之间产生的电容联系。危害：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。使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。6.4.4 寄生电容的影响l缩短传感器至测量线路前置级的距离l驱动电缆法l整体屏蔽法1.电容式测微仪6.5 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6.6 小结小结电容式传感器有如下特点电容式传感器有如下特点 参数变化大、极低的内耗性能参数变化大、极低的内耗性能 、高的动态响应。、高的动态响应。 电容式传感器电容式传感器缺点缺点 寄生电容影响大、非线性。寄生电容影响大、非线性。 本章需