传感器与检测技术34电容式传感器1

1、边缘效应 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。到边缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容，但由于布线之间总是有互容，互容就好像是寄生在布线之间的一样，所以叫寄生电容，又称杂散电容。寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。1、另一方面传感器除有极板间电容外，极板与周围体（各种元件甚至人体）也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。它不但改变了电容传感器的电容量，而且由于传感器本身电容量很小，寄生电容极不稳定，这也导致传感器特性不稳定,对传感器产生严重干扰。2、分布在导线之

2、间、线圈与机壳之间以及某些元件之间的分布电容等,这些电容称为寄生电容，他们的数值虽小，但是却是引起干扰的重要原因。3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理1. 工作原理及类型2. 变面积型电容传感器3. 变介电常数型电容传感器4. 变极距型电容式传感器什么是电容器？电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。电容导体上的

3、电荷导体之间的电压差QCV1. 工作原理0 rSSCdd S 极板相对覆盖面积； d 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数（8.85pF/m）； 电容极板间介质的介电常数。 S等位环 结构 边 缘 电 场均 匀 电 场33211、2 电极 3等位环2. 变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为0000()rrrax bCCCdabxbdd C与x间呈线性关系 电容式角位移传感器 0000dsCr0000(1)(1)rsCCd 当=0时 当0时传感器电容量C与角位移间呈线性关系，但如果输出是 ，则是非线性关系。 01Xj C3. 变介电常数型电容式传感

4、器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为： 02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容 0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000) 1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 4. 变极距型电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非线性关系 若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度2. 非线性 0011/ddCCCd

5、dddd d/1d d将上式展开成泰勒级数得 2301ddddCCdddd/1d d0(/)CCd dd 取值不能大，否则将降低灵敏度 11()0.01 0.9105ddmmm采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量 24021dddCCddd差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量XCC1/() 11cXdCS dd被测量与d 成线性关系 无需满足3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路3.4.5

6、 电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器1、特点 优点:1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ）2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应3.4.3 传感器的特点和设计要点 动态响应好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，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，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。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

7、量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。缺 点：1、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106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、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”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(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 2. 设计要点 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 消除和

8、减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 尽可能采用差动式电容传感器 (1)减小温度误差、保证高的绝缘性能 ：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，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 ：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 采用、测量电路来减小温度等误差 (2). 消除和减小边缘效应 危害：灵敏度降低、 产生非线性 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围 (3) 消除和减小寄生电容的影响， 防止和减少外界干扰（a）屏蔽和接地 （b）增加初始电容值，降低容