第6讲电容式传感器

1、电容式传感器电容式传感器电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理分类分类电容传感器应用中需注意的问题电容传感器应用中需注意的问题电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器被测参数：压力、力、液位和振动学等。被测参数：压力、力、液位和振动学等。 电容传感器的概述电容传感器的概述电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理dSC+dA 变间隙型变面积型变介质型电容式传感器电容式传感器变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)

2、、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 变变d d式电容传感器式电容传感器1 1定极板；定极板；2 2动极板；动极板；3 3介质介质1如图所示是这种传感器原理图。如图所示是这种传感器原理图。%100%100)/()/()1 (1)1 ()1 (1)1 ( 1)1(00202000010010100101000ddddddedAdCdCkddddddCCddddddCCddCCCCf1. 1. 若间隙减少，电容变化量：若间隙减少，电容变化量：电容相对变化量：电容相对变化量：2. 2. 若间隙增加，电容变化量：若间隙增

3、加，电容变化量：灵敏度灵敏度k k为：为：非线性误差为：非线性误差为： 平行极板电容器平行极板电容器C C 和和d d的关系的关系结论：电容相对变化结论：电容相对变化量以及非线性误差均量以及非线性误差均与间隙相对变化量有与间隙相对变化量有关；而其灵敏度仅与关；而其灵敏度仅与起始时的电容量和间起始时的电容量和间隙有关。隙有关。变面积型电容传感器变面积型电容传感器abaCxCkaxCCdbxaCCC/)(00000这种传感器的输出特这种传感器的输出特性呈线性。因其量程不性呈线性。因其量程不受线性范围限制，适合受线性范围限制，适合于大直线位移测量。于大直线位移测量。1.1.平面直线位移型平面直线位移

4、型原理结构图见图所示。它与变间隙型不同的是被测原理结构图见图所示。它与变间隙型不同的是被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A A0 0改变，改变，从而使电容变化。从而使电容变化。2.2.角位移型角位移型+)1 ()1 (0CdAC电容传感器的容量与投影面积的关系演示电容传感器的容量与投影面积的关系演示 （3 3）园柱型电容传感器）园柱型电容传感器AC0dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容初始电容 电容与液位的关系为：电容与液位的关系为： 变极板间介质的介电常数变极板间介质的

5、介电常数 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器测量对象：纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质的测量对象：纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质的湿度。湿度。变介质面积型电容传感器变介质面积型电容传感器振荡电路振荡电路感应电极感应电极被测物体被测物体例：电容式接近开关例：电容式接近开关电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能1.1.静态灵敏度静态灵敏度l被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量之比。测量之比。1 1）变极距型电容传感器）变极距型电容传感器3201dddddddCkgkg但但过小易

6、导致电容器击穿过小易导致电容器击穿( (空气的击穿电压为空气的击穿电压为3kv/mm) 3kv/mm) 在极间加一层云母片在极间加一层云母片( (击穿电压击穿电压10103 3kv/mm)kv/mm)或塑料膜来改或塑料膜来改善电容器耐压性能善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度差动结构也可提高灵敏度baCaCkg0b kg减小减小 、加云母片、增大、加云母片、增大b b、采用差动结构可提高灵敏度、采用差动结构可提高灵敏度2.非线性非线性CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否则将降低灵敏度取值不能大，否则将降低灵敏度 mmm9.001.0)51101(要获得较大灵敏度要获得较大灵敏度k

7、 k，则应使，则应使d d0 0小，但小，但d d0 0太小时，太小时，电容的相对变化量和非线性误差要增大。且电容的相对变化量和非线性误差要增大。且d d0 0太太小，电容器易引起击穿或短路，故小，电容器易引起击穿或短路，故k k与与e ef f在在d d0 0取值取值时是矛盾的。时是矛盾的。解决方法：解决方法：1 1）电容器击穿问题方法：可在定极板上（或极）电容器击穿问题方法：可在定极板上（或极板间）放置一层介电常数值高的介电物质，如云板间）放置一层介电常数值高的介电物质，如云母、塑料等。母、塑料等。 变变d d型差动电容传感器结构示意图型差动电容传感器结构示意图2）实际应用中，为提高灵敏度

8、，减小非线性，以）实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，以便于连接测量电桥，一般采用差动式结构。便于连接测量电桥，一般采用差动式结构。采用差动形式，并取两电容之差为输出量采用差动形式，并取两电容之差为输出量 CC21024差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍了一倍 。如果采用容抗如果采用容抗 作为电容式传感器输出量作为电容式传感器输出量XCC1/() SCXc11 被测量与被测量与 成线性关系成线性关系 无需满足无需满足 优点优点: :1.1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小

9、）2.2.结构简单、适应性强结构简单、适应性强3.3.动态响应好动态响应好 极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受分辨率非常高，能感受0.001mm0.001mm甚至更小的位移甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。特别适合动态测量。介质损耗小，可

10、以用较高频率供电介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、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。瞬时压力等。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、具有平均效应缺点：缺点：1.输出阻抗高、负载能力差输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的百皮法，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，输出阻抗高达交流电源时，输出阻抗高达106108 。因此传感器负

11、载能力。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响差，易受外界干扰影响 。 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，而传感器的引线电缆电容、测量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器极板与其周围导体构成的电容等电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容方面这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。作不稳定，影响测量精度。1 1）减小环境温度湿度等

12、变化所产生的影响，保证绝缘材）减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能料的绝缘性能 。 ：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）银（电极可做得薄，减小边缘效应） ：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 ：空气或云母：空气或云母 （介电常数温度系数近为0） 传感器密封，用以防尘、防潮传

13、感器密封，用以防尘、防潮 采用采用、测量电路来减小温度等误差、测量电路来减小温度等误差 2 2）消除和减小边缘效应）消除和减小边缘效应 。危害：灵敏度降低，产生非线性危害：灵敏度降低，产生非线性 。减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，易产生减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，易产生击穿并有可能限制测量范围击穿并有可能限制测量范围 3 3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 。屏蔽和接地屏蔽和接地 增加初始电容值，降低容抗。增加初始电容值，降低容抗。导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，导线间分布电容有静电感应，因此

14、导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。用同轴屏蔽线。尽可能一点接地，避免多点接地尽可能一点接地，避免多点接地 4 4）尽可能采用差动式电容传感器）尽可能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，减小寄生电容的影减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响，温度、湿度等环境因素的影响。响，温度、湿度等环境因素的影响。电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路C C电容器电容电容器电容R RP P低频损耗并联电阻低频损耗并联电阻R RS S高温、高湿、高频励磁工作时的串联损耗电阻高

15、温、高湿、高频励磁工作时的串联损耗电阻L L电容器及引线电感电容器及引线电感C CP P寄生电容寄生电容电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路电容传感器测量电路电容传感器测量电路-调频电路调频电路)(212101CCCCLLCfi电容传感器测量电路电容传感器测量电路-运算放大器电路运算放大器电路：能克服变极距型电容传感器的非线性。：能克服变极距型电容传感器的非线性。Cx是传感器电容是传感器电容C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 uC-ACxu0运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图双双T T二极管等效电路二极管等效电路正半周等效正半周等效电路图电路图负半周等效负半周

16、等效电路图电路图双双T T二极管交流电桥二极管交流电桥RL如图所示。它利用电容充放电原理组成。如图所示。它利用电容充放电原理组成。电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路-双双T二极管交流电桥二极管交流电桥电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路-脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电

17、压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1.1.电容法测泥料水分电容法测泥料水分2.2.电容测厚传感器在板材轧制中的应用电容测厚传感器在板材轧制中的应用CBRR0C1C2C1L2L电容式自平衡液位测量仪电容式自平衡液位测量仪电容式液位计电容式液位计n无油时，起始电容无油时，起始电容Cx=Cx0，若使，若使Cx0=C0，此时输出，此时输出为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态E1Cx0=E2C0v油量变化时，油量变化时，Cx=Cx0+Cx Cx =k1h电桥不平衡电桥不平衡输出输出U放大放大

18、两相电机转动两相电机转动减速减速指针指示指针指示电位器电刷转动电位器电刷转动 改变改变E电桥恢复平衡电桥恢复平衡输出电压为零、电机停输出电压为零、电机停止转动、指针停在某角度上。止转动、指针停在某角度上。hkkCEEk21012线性电位器hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡条件：（在新的平衡位置：指针转角与指针转角与h h成线性关系成线性关系CCrrrrHrrhrrhHCCCxx012121211222122121)/ln(2)/ln(2)/ln(2)/ln(2）（电容式液位计电容式液位计设定按钮设定按钮智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。发出