第10章电容式传感器

1、 检测技术与系统设计 主讲人主讲人：瞿亮：瞿亮20222022年年4 4月月3030日日特点和应用中存在的问题特点和应用中存在的问题1.2工作原理、结构和特性工作原理、结构和特性10.110.2测量电路测量电路10.3电容式传感器及其应用电容式传感器及其应用 10.4第十章 电容式传感器一、原理、结构及特性电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。用来用来测测压力、力、位移及振动学压力、力、位移及振

2、动学非电参量。非电参量。1、变极距型电容传感器2、变面积型电容传感器1）平面直线位移型；2）角位移型；3）容栅传感器；3、变介质型：测纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质的湿度、非导电物位测量。0rAC 介电常数=0r电容式传感元件的各种结构形式常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型。电容特性电容特性 对于理想的电容器来说，不考虑寄生电感和电阻的影响，那么我们在电容设计上就没有任何顾虑，电容的值越大越好。 但实际情况却相差很远，并不是电容越大对高速电路越有利，反而小电容才能被应用于高

3、频。理解这个问题，我们首先必须了解实际电容器本身的特性，可以看到实际的电容器要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联电阻Rs（ESR），串联电感Ls（ESL），还有泄漏电阻Rp，介质吸收电容Cda，和介质吸收电阻Rda等。 等效串联电阻Rs：电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，Rs使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。但对精密高阻抗、小信号模拟电路不会有太大的影响。Rs最低的电容器是云母电容器和薄膜电容器。电容特性 等效串联电感Ls：电容器的等效串联电感是由电容器的

4、引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。像Rs一样，Ls在射频或高频工作环境下也会出现严重问题。其原因是用于精密模拟电路中的晶体管在过渡频率(Transition frequencies)扩展到几百兆赫或几G赫的情况下，仍具有增益，可以放大电感值很低的谐振信号，这就是在高频情况下对这种电路的电源端要进行适当去耦的主要原因。电容特性 等效并联电阻Rp：就是我们通常所说的电容器泄漏电阻，在交流耦合应用、存储应用(例如模拟积分器和采样保持器)以及当电容器用于高阻抗电路时，Rp是一项重要参数，理想电容器中的电荷应该只随外部电流变化。然而实际电容器中的Rp使电荷以RC时间常数决定的速率缓慢泄漏。电

5、容特性电容特性 对电容的高频特性影响最大的则是Rs和Ls，我们通常采用图中简化的实际模型。电容特性 当它在低频的情况(谐振频率以下)，表现为电容性的器件，而当频率增加（超过谐振频率）的时候，它渐渐的表现为电感性的器件。也就是说它的阻抗随着频率的增加先增大后减小，等效阻抗的最小值发生在串联谐振频率是，这时候，电容的容抗和感抗正好抵消，表现为阻抗大小恰好等于寄生串联电阻Rs当传感器的r和S为常数，变变极距型电容传感器极距型电容传感器变极距型电容式传感器 C 与与 d 成反比例函数关系关系，如图成反比例函数关系关系，如图 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大增大了C，则有 初始极距为d

6、0时，其初始电容量C0为 在式（5-3）中，若d/d01时，1-(d/d0)21，则式 此时C与d近似呈线性关系近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。 另外，由上式可以看出，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。 但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质,云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 如图所示放置云母片的电容器此时电容C变为 g云母的相对介电常数，

7、g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。 变变面积型电容式传感器面积型电容式传感器 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。变面积型电容传感器原理图 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为电容式角位移传感器原理图 当动极板有一个角位移时，与定极板间

8、的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则 当0时， 则 传感器的电容量C与角位移呈线性关系。 1.3 1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为DDdHh1电容式液位变换器结构原理图 所以，此时变换器电容值为 空气介电常数； C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板

9、覆盖面积。 若电介质r1=1（为空气）, 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 一、特点和应用中存在的问题1.1.优点：优点：.温度稳定性好（选择温度系数低的材料）.结构简单（易于制造，保证高的精度，可以做得非常小巧）.动态响应好（可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量）.非接触测量4因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移；

10、由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。缺点缺点.输出阻抗高，负载能力差：输出阻抗高，负载能力差：受其电极的几何尺寸等限制，一般微出几十至几百皮法，其值只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高。负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象。高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大。.寄生电容影响大：寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”

11、却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途地传感器。应用中存在的问题1.等效电路等效电路特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。图中C为传感器电容，Rp为

12、低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；Cp为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一LCCCe2122)1 (LCSSe有效电容变化，从而引起传感器有效灵敏度的改变2.边缘效应边缘效应实际上当极板厚度h与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：)(116ln20hfrrrCr边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构为减小极板厚度，往

13、往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。3.静电引力静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场，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、介电常数、极间距离有关。寄生电容寄生电容受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(几pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联。驱动电缆法驱动电缆法.整体屏蔽法整体屏蔽法.采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术温度温度影响影响 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

14、差。 电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。1 1. .变压器电桥变压器电桥如图所示，C、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为第三节第三节 测量电路测量电路 21212CCCCUUo变压器电桥对变极距型电容传感器，代入上式得)/();/(002001ACAC02UUo)/();/(002001ACAC可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。 双双T T二极管交流电桥二极管交流电桥 如图所示：U是高频电源，提供幅值为U的对称方波(正弦波也适用)；D1、D2为特性完全相同的两个二极管，R1R2R

15、；C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有位移输入时，C1C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。当C1或C2变化时，RL上产生的平均电流将不再为零，因而有信号输出。其输出电压的平均值为)()()2(212_CCUfRRRRRRULLLL双T二极管交流电桥式中：f为电源频率。当RL已知时，上式中 为常数，则 LLLRRRRRRK2)()2()(21_CCKUfUL该电路适用于各种电容式传感器。它的应用特点和要求：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将

16、D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；(5)输出电压较高。3.3.脉冲调宽电路脉冲调宽电路差动脉冲宽度调制电路。 当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，Q端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器IC1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，Q端为高电平(U1)。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调

17、制。 当C1=C2时，各点的电压波形如图(a)所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。 当C1C2时，各点的电压波形如图 (b)所示，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为_Q_Q12121121210UCCCCUTTTTU (4-27)式中：T1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。_Q点电压波形图当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，有 这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 100UU10UAAU运算放大器运算放大器电路电路这种电路不需要

18、载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。运算放大器电路 Ui为信号源电压，C0为固定电容，要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器(C10rA/)，式可写为图为其电原理图。C1为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0，即10CCUUioACUUrio00可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容

19、传感器的非线性。第四节电容式传感器及其应用第四节电容式传感器及其应用随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：(1)分辨力极高，能测量低达10-7的电容值0.01m 的绝对变化量和高达(C/C100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性； (3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；(4)过载能力强。电容式位移传感器电容式位移传感器 所示为一种变面积型电容式位移传感器。它采用差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电

20、极与两个固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变化。它用于接触式测量，电容与位移呈线性关系。电容式位移传感器 1-测杆；2-开槽簧片；3-固定电极；4-活动电极电容式电容式加加速度传感器速度传感器电容式电容式挠性加速度传感器挠性加速度传感器敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成；并由石英挠性梁弹性支承，其稳定性极高。固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构；两极面均镀金属膜形成电极。由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式力发生器，互为推挽结构，这大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。工作时，加速度使电容传感器产生相应输出，经测量电路转换成比例电流输入力发生器，使其产生一电磁力与质量

21、组件的惯性力精确平衡，迫使质量组件随被加速的载体而运动；此时，流过力发生器的电流，即精确反映了被测加速度值。在这种加速度传感器中，传感器和力发生器的工作面均采用微气隙“压膜阻尼”，使它比通常的油阻尼具有更好的动态特性。典型的石英电容式挠性加速度传感器的量程为0150m/s2，分辨力110-5m/s2，非线性误差和不重复性误差均不大于0.03%F.S.。轮胎压力电容式传感器电容式力和压力传感器电容式力和压力传感器所示为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成

22、的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。 电容式称重传感器电容式电容式物位传感器物位传感器电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。除上述应用外，电容式传感器还可用于转速测量与金属零件计数等。应用应用1、电容式压力传感器：、电容式压力传感器：电容式听诊器：膜片受声压作用使间隙发生变化，电容式听诊器：膜片受声压作用使间隙发生变化，从而改变极板间的电容，电容的变化与声压的大从而改变极板间的电容，电容的变化与声压的大小在一定范围内有线性关系。小在一定范围内有线性关系。2、差动式电容压力传感器：、差动式电容压力传感器：3、电容式位移传感器：、电容式位移传

23、感器：4、电容式加速度传感器：、电容式加速度传感器：5、电容式液位传感器，电容式形变传感器。、电容式液位传感器，电容式形变传感器。1电容式接近开关 齐平式 非齐平式电容式接近开关外形非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当“A”号传感器

24、有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；当“B” 号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。2. 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 聚四

25、氟乙烯外套高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置 1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔电容式转速传感器设齿数为Z，由计数器得到的频率为f，则转速n（r/min）为:60/nfZ电容式位移传感器电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。 6. 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。 吸水高分子薄膜6容栅式传感器 容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度。 容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。 1.直线形