沈航传感与测试技术3.2.3,3.3.4电容式、测量电路

1、2022-3-41( 传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类( 电参量型传感器电参量型传感器( 电量型传感器电量型传感器( 光电式传感器光电式传感器( 光纤传感器光纤传感器( 数字式传感器数字式传感器2022-3-42& 电阻式传感器电阻式传感器& 电感式传感器电感式传感器& 电容式传感器电容式传感器& 电参量型传感器测量电路电参量型传感器测量电路2022-3-43&被测量变化能引起传感器输出电容值变化的传感器被测量变化能引起传感器输出电容值变化的传感器称为电容式传感器称为电容式传感器( (Capacitance Transducer) )。&am

2、p;电容传感器的工作原理与特性电容传感器的工作原理与特性以平板电容器为例：以平板电容器为例：极极板板间间距距离离极极板板面面积积真真空空中中介介电电常常数数相相对对介介电电常常数数其其中中： AACrr00+ + + + A A 、A A或或发生变化时，发生变化时，引起电容的变化。引起电容的变化。2022-3-44&电容传感器的工作原理与特性电容传感器的工作原理与特性 电容式传感器是一个电容式传感器是一个具有可变参数具有可变参数的电容器。根的电容器。根据电容器变化的参数不同，可分为据电容器变化的参数不同，可分为极距变化型、极距变化型、面积变化型和介质变化型面积变化型和介质变化型三类。三

3、类。&极距变化型电容传感器极距变化型电容传感器&面积变化型电容传感器面积变化型电容传感器&介质变化型电容传感器介质变化型电容传感器&应用中存在的问题和改进措施应用中存在的问题和改进措施2022-3-45原理原理：当传感器的当传感器的r和和A为常数，初始极距为为常数，初始极距为0变化变化, ,则电则电容发生变化。容发生变化。+ + + + + + +2022-3-46原理原理：当传感器的当传感器的r和和A为常数，初始极距为为常数，初始极距为0，变化的极，变化的极距为距为x则电容值：则电容值：200000001ACCSCC/r近近似似灵灵敏敏度度：时时，近近似似线线

4、性性关关系系：当当 xddCS xrAC 0 20 xrA 2022-3-47应用特性应用特性：极距变化型电容传感器只有在极距变化型电容传感器只有在|/0|很小时很小时( (即测量范围即测量范围很小时很小时) )，才有近似的线性输，才有近似的线性输出，一般出，一般=(0.010.1)0。其近似线性灵敏度其近似线性灵敏度为：为：20AS灵敏度灵敏度S与初始极距与初始极距0的平方成反比，故其灵敏的平方成反比，故其灵敏度极高，其缺点是具有非线性特性，因此测量度极高，其缺点是具有非线性特性，因此测量范围受到一定限制，范围受到一定限制，适用于微小位移测量适用于微小位移测量。2022-3-48：非单一介质

5、的电容传感器：非单一介质的电容传感器：可进行位移测量和电介质的厚度可进行位移测量和电介质的厚度测量。测量。22110/ AC 差动式结构差动式结构灵敏度提高灵敏度提高1 1倍，倍，且线性误差大大减小，且有效且线性误差大大减小，且有效补偿温度变化引起的误差。补偿温度变化引起的误差。2022-3-49原理原理：改变电容器极板面积常采用线位移型和角位改变电容器极板面积常采用线位移型和角位移型两种方式移型两种方式 。Constbr00dxdCS00b)xa(Crn平面线位移型平面线位移型 令以最大相对面积为初始令以最大相对面积为初始位置，位置，1) 线位移型线位移型平面线位移型和柱体线位移型平面线位移

6、型和柱体线位移型ab0 x定极板定极板动极板动极板图图3.34 3.34 面积变化型电容传感器面积变化型电容传感器2022-3-410n柱体线位移型柱体线位移型 令内外电极有效覆盖长度为令内外电极有效覆盖长度为x，1) 线位移型线位移型平面线位移型和柱体线位移型平面线位移型和柱体线位移型 xCdDxC /ln20 ConstdD /ln20 dxdCS2022-3-4112) 角位移型角位移型 CrAC2200 22rA ddCSConstr 220+2022-3-412应用特性应用特性：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入关系是面积变化型电容传感器的优点是输出与输入关系是线性线性关系。关系

7、。与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线较大直线位移和角位移测量位移和角位移测量。常采用常采用差动式结构差动式结构以提高灵敏度。以提高灵敏度。图图3.37 面积变化型差动式结构电容传感器面积变化型差动式结构电容传感器CAB(c) 柱体结构柱体结构(a) 扇形平板结构扇形平板结构ABCrRO(b)柱面板结构柱面板结构O A C B Rrl2022-3-413L原理原理：利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电容的变化。容的变化。 以电介质插入式为例，以电介质插入式为例，)(adxdCSx)xL(aCCCrr

8、rr12021021x应用特性应用特性：变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。材料的温度、湿度和厚度等。介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量，介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量，其灵敏度与介电常数的差值其灵敏度与介电常数的差值(2-1)的值成正比，的值成正比，(2-1)值值越大灵敏度越高。越大灵敏度越高。 2022-3-414等效电路等效电路(Equivalent circuit) 考虑电容传感器在高温、考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件高湿及高频激励的条件下工作，而不可忽视其下工作，

9、而不可忽视其附加损耗和电效应影响附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图。时，其等效电路如图。C传感器电容；传感器电容；RP低频损耗并联电低频损耗并联电阻；阻； RS串联损耗电阻；串联损耗电阻；L电容器电容器及引线电感；及引线电感；CP寄生电容寄生电容 在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率或者更换传输线缆时，会使传感器有效电阻和或者更换传输线缆时，会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生变化，因此必须对测量系统有效灵敏度都发生变化，因此必须对测量系统重新进行重新进行标定标定。2022-3-415寄生电容寄生电容(Parasitical capacitanc

10、e) 寄生电容与传感器电容并联，严重影响传感器寄生电容与传感器电容并联，严重影响传感器的输出特性。消除寄生电容的影响，是电容式的输出特性。消除寄生电容的影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种消除电缆寄传感器实用的关键。下面介绍几种消除电缆寄生电容影响的方法：生电容影响的方法： 驱动电缆法驱动电缆法：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连的传感器电容电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位，使两电位的幅值和相位均相同，从极板电位，使两电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。而消除电缆分布电容的影响。2022-3

11、-416寄生电容寄生电容(Parasitical capacitance) 驱动电缆法驱动电缆法驱动电缆结构驱动电缆结构：在电容传感器与在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为蔽电缆，并接入增益为1(1(幅频特性幅频特性为为1，相频特性为零，相频特性为零) )的驱动放大器，的驱动放大器，放大器的正输入端接到传感器芯线，放大器的正输入端接到传感器芯线，输出端接到屏蔽电缆的内屏蔽层，输出端接到屏蔽电缆的内屏蔽层，使内屏蔽层与芯线等电位，消除了使内屏蔽层与芯线等电位，消除了芯线与内屏蔽层的容性漏电流，克芯线与内屏蔽层的容性漏电流，克服了寄生电容的

12、影响。服了寄生电容的影响。 2022-3-417寄生电容寄生电容(Parasitical capacitance) 整体屏蔽法整体屏蔽法所谓整体屏蔽法是将整个电路所谓整体屏蔽法是将整个电路( (包括电源、电缆等包括电源、电缆等) )统一统一用屏蔽罩屏蔽起来。其关键在于正确选择接地点，如图用屏蔽罩屏蔽起来。其关键在于正确选择接地点，如图所示为差动电容器配用电桥测量电路的整体屏蔽。所示为差动电容器配用电桥测量电路的整体屏蔽。2022-3-418寄生电容寄生电容(Parasitical capacitance) 采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩将测

13、量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；短电缆；采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；在传感器壳体内；利用集成技术工艺，将传感器与调理电路集成于同利用集成技术工艺，将传感器与调理电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。一芯片，构成集成电容式传感器。 2022-3-419边缘效应边缘效应(Margin effect) 理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害，到在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害，到边缘时弯得最厉害，这种

14、弯曲的现象叫做边缘效应。边缘时弯得最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。 措施措施： 采用带有保护环的结构，如图：采用带有保护环的结构，如图：采采用石英或陶瓷等非金属材用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为电料，蒸涂一薄层金属作为电极极，减小极板厚度，减小极板厚度 ，以减小，以减小边缘效应。边缘效应。均匀磁场面积均匀磁场面积定极板定极板保护极保护极动极板动极板图图3.43 带有保护环的电容传感器带有保护环的电容传感器原理结构原理结构2022-3-420静电引力静电引力(Electrostatic attraction) 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引电容式传感器两极板间因

15、存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极板距离有关。通常这种静电引力很小，但在采常数、极板距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，需考虑因静电引用推动力很小的弹性敏感元件情况下，需考虑因静电引力造成的测量误差。力造成的测量误差。温度的影响温度的影响(Temperature effect) 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种

16、影响主要由两个方面因素引起的，一个是温度对结构尺寸的主要由两个方面因素引起的，一个是温度对结构尺寸的影响。另一个是温度对介质的影响。影响。另一个是温度对介质的影响。2022-3-421&电参量型传感器输出为电路参数，即电阻、电容和电电参量型传感器输出为电路参数，即电阻、电容和电感感( (自感自感) )，都属于能量控制型传感器都属于能量控制型传感器，需要设计合理，需要设计合理的电参数的电参数电量电量( (通常为电压或电流通常为电压或电流) )转换电路，并供转换电路，并供以外部电源，通过测量由被测量变化引起的电路参数以外部电源，通过测量由被测量变化引起的电路参数变化控制的电路输出能源大小来

17、实现被测量的测量，变化控制的电路输出能源大小来实现被测量的测量，一般为电压信号。一般为电压信号。&采用采用激励电源是直流或是交流激励电源是直流或是交流，其转换电路输出的信，其转换电路输出的信号形式也不同，可输出直接与被测量相对应的号形式也不同，可输出直接与被测量相对应的低频信低频信号号，也可是受被测量调制的，也可是受被测量调制的调幅信号或调频信号、调调幅信号或调频信号、调相信号相信号等，也可输出为等，也可输出为电压脉冲信号电压脉冲信号。2022-3-422& 电参量型传感器测量电路一般包括电参数电参量型传感器测量电路一般包括电参数电压转换电路、电压转换电路、放大电路、激励电源和解调电路。当激励电源是直流电源放大电路、激励电源和解调电路。当激励电源是直流电源时，解调电路可略。时，解调电路可略。 &本书中本书中转换电路转换电路通常指的是能实现传感器输出参数到电压、通常指的是能实现传感器输出参数到电压、电流转换的电路，不管其电压、电流形式如何。