第3章 传统传感元件及检测技术1-电容式

1、第3章传统传感元件及检测技术传统式传感器电阻应变式电容式磁电感应式磁敏式压电式3.4.1 基本工作原理及特性3.4.2 电容式传感器测量电路3.4.3 电容式传感器的应用3.4 电容式传感及检测技术1. 电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为式中 电容器极板间介质的介电常数， (其中 为真空的介电常数， =8.851012F/m， 为极板间介质的相对介电常数)；A两平行板所覆盖的面积；l两平行板之间的距离。3.4.1 基本工作原理及分类电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。（1）变极距型电容式传感器条件：测量范围l

2、l0 灵敏度与极距l成反比，极距越小，灵敏度越高。灵敏度实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。中间一块极板为动极板，两边为定极板。当动极板移动l 距离，l1=l0 - l ， l2=l0+ l 。对应的电容量C1、C2的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。条件：测量范围ll0变极板间距离电容式传感器的优点是灵敏度高，可以进行非接触式测量，并且对被测量影响较小，所以适宜于对微位移的测量。它的缺点是具有非线性特性，所以测量范围受到一定限制，另外传感器的

3、寄生电容效应对测量精度也有一定的影响。结论：线位移型电容式传感器平面线位移圆柱线位移平面线位移型传感器如图，电容量为：（2）面积变化型电容传感器由结论:面积变化型电容传感器电容量C与水平位移呈线性关系。灵敏度:2)电容式圆柱形传感器(面积变化型)电容量C与轴向位移呈线性关系（3）变介质型电容传感器 在固定两极板之间加入空气以外的其他被测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为 ，固体介质相对介电常数为 ，电容量为假设两极板间距离为l ，则 l1=ll2 ，电容量为： 当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介电常数有关。如

4、果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度，可制成介电常数的测量仪。3.4.2 电容式传感器测量电路 1. 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，略去Rs和Rp)：表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L和角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。1）调频测量电路图中调频振荡器的振荡频率为调频式测量电路原理框图 2. 电容式传感器

5、的测量电路式中 L振荡回路的电感； C振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容， Cx=C0C为传感器的电容。当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0，其表示式为当被测信号不为0时，C0，振荡器频率有相应变化，此时频率为优点：调频电容传感器测量电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等，可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。缺点：寄生电容对测量精度的影响较大。2) 运算放大器式测量电路 运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi很高，

6、输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。由运算放大器工作原理可得运算放大器式电路原理图如果传感器采用平板电容，则Cx= A /l，代入上式，则运算放大器的输出电压与极板间距离l成线性关系。式中，“”号表示输出电压的相位与电源电压反相。 运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。3) 二极管双T形交流电桥测量电路e是幅值为U的对称方波高频电源，VD1、VD2为参数和特性完全相同的两只二极管，R1=R2=R为参数和特性完全相同的固定电阻，C1、C2为传感器的两个差动电

7、容。e 二极管双T形交流电桥工作原理：e若传感器输入信号不为0，则C1C2，I1I2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内的平均值为 f电源频率，U为电源电压。当RL已知，式中 （常数），则上式可改写为输出Uo不仅与电源电压幅值U和频率f有关，而且与T形网络中的C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。U幅值较高，二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1k100k。输出信

8、号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1k的负载电阻上升时间为20s左右，故可用来测量高速的机械运动。 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0.01微米的绝对变化量和高达(C/C)=100%-200%的相对变化量，因此尤其适合微信息检测；(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。3.4.3 电容式传感器的应用1. 电容式测厚传感器原理 当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则 C 发生变化。 C增大，表示板材厚

9、度l2变薄；C减小，表示板材厚度l2变厚。 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化。 音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表

10、指示出带材厚度的变化。 C的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一 方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。2. 数字式大气数据计算机压力传感器静压 PSi、动压 Pd(Pt)、总温 Tt和攻角L电容式压力传感器：差动电容式和电容量式（测量静压）1）差动电容式 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 在两隔离膜外的压力 P1=P2 时，弹性膜片与左右固定极板间距相同，初始间距相同，初始最大间距为 l0 ,电容 C1=C2=C0。 当 ，即有压差作用，其作用

11、通过隔离膜与硅油将压差传递给弹性膜片，在压差的作用下弹性膜片产生形变，相当于动电极与固定电极间隙改变（ ），由于 很小，可以认为 （式中 k 为比例常数, 压差)k由电容器极板的面积和介电常数决定的常数压力变送器1151系列电容式变送器外形图被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和元件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成电流信号。各种电容式差压变送器外形 2）电容量式压力传感器（ 运算放大器式测量电路）优点：由于采用了闭环测量技术，迟滞性

12、低、重复性高、稳定性高。ZP，ZR被测可变电容CP和标准参考电容CR阻抗UR参考电压（激励）大气数据计算机A/D转换电路图 静压测量值PS经过差动电容式和电容量式变换成电压输出经A/D转换电路送至大气数据计算机进行数据综合处理。3. 电容式加速度传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。

13、4.电容式物位传感器 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。当被测液面高度发生变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化从而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为1，而液面以上部分介质的介电常数为2，则其电容量为H-传感器插入液面的深度；L-两电极板相互覆盖部分的长度；D，d-分别为外电极的内径和内电极的外径 两种介质介电常数差别(1-2)越大、极径D与d相差(即极距)愈小，传感器灵敏度就愈高. 上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板必须与被测介质绝缘。电容式料位传感器，用来测量非导电固体散料的料位。由于固体摩擦力较大，容易“滞留”，故一般不用双层电极，而用电极棒与容器壁组成电容传感器两极。电容式液位传感器（液位计/料位计）发动机仪表中的油量表5. 推力表(发动机仪表)推力表是了解发动机功率的仪表（属于间接测量）压力压力比推力本 节 小 结电容式传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。电容式传感器又分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种。其中变面积式和变介电常数式电容传感器的输入输出特性为线性关系，变极距式电容传感器的输入输出特性为非线性关系(仅在极距变化量