第3章-33电容式传感器课件

Chapter3

电容式传感器*Chapter3电容式传感器工作原理利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,从而实现非电量到电量的转化的器件或装置；电容式传感器就是将被测参数转换成电容量的测量装置。实质上是一个具有可变参数的电容器。*优点测量范围大灵敏度高动态响应时间短结构简单适应性强机械损失小易实现非接触测量Chapter3电容式传感器*缺点寄生电容影响较大用于变间隙原理测量时具有非线性输出特性由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。Chapter3电容式传感器*3.1工作原理与类型3.2测量电路3.3主要特性3.4设计要点3.5应用Chapter3电容式传感器*3.1电容传感器的工作原理与类型3.1.1电容传感器的工作原理可变电容器3.1.2电容传感器类型变面积型变极距（间隙）型变介电常数型*3.1.1电容传感器的工作原理用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S—极板相对覆盖面积；d—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0

＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。Sdε*d、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C；d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。3.1.1电容传感器的工作原理*3.1.2电容传感器类型1.变面积型2.变极距(间隙)型3.变介电常数型图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)为变面积型图(a)和(e)为变极距型图(i)～(l)则为变介电常数型。注，蓝色为差动式传感器*1.变面积型角位移式直线位移式*1.变面积型——线位移当一极板移动x时，则面积S发生变化，电容量C变为：传感器灵敏度K为：增大初始电容C0可以提高灵敏度。x变化不能太大，否则会产生非线性变化。abdx*1.变面积型——角位移当＝0时，当0时，电容C与角位移成线性关系。49%定片动片*1.变面积型——改进变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：2r22r1LΔl圆柱形电容式线位移传感器*1.变面积型——改进当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为这类传感器具有良好的线性，大多用来检测位移等参数。*2.变极距型变间隙型*电容量C与极板间距d不是线性关系,而是双曲线关系。当时，d与C近似呈线性关系。在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC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。2.变极距型C-d特性曲线*2.变极距型在实际应用中，常以改变极板间距d来测量，因为可获得高于其它形式的灵敏度。改变极板d，可以测量微米数量级改变面积可测量厘米数量级。一般最大位移应小于间距的1/10。*3.变介电常数型测量电介质的厚度、液位，根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。*3.变介电常数型*3.变介电常数型——线位移若，则被测电介质进入极板间深度L后，电容相对变化量为：*3.变介电常数型——厚度若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如图，设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物的厚度和它的介电常数分别为dx和εx,则传感器的电容量与被测物体厚度的关系为：

dxx厚度传感器*3.变介电常数型——液位气体介质间的电容C1为：液体介质间的电容C2为：总电容量为：容量C与液位高度h1成线性关系.例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr

＝2.1。计算：(1)传感器的最小电容和最大电容。

(2)用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)。*3.2电容传感器的转换电路电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。检波电路电极保护电极外壳前项放大器恒流源*电容式传感器的等效电路可以用图示电路表示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应。Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。该损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。3.2.1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。供电电源频率必须低于谐振频率，一般为谐振频率的1／3～1／2，传感器才能正常工作。3.2.1等效电路*传感元件的有效电容Ce可由下式求得：(为了计算方便，忽略Rs和Rp):3.2.1等效电路*在这种情况下，电容的实际相对变化量为：上式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的角频率ω有关。在实际应用时必须与标定的条件相同。改变传感器供电电源频率(即转换电路工作频率)或更换传感器至转换电路的引线电缆之后，必须对整个仪器重新标定。3.2.1等效电路*3.2.2测量电路调频电路运算放大器电路差动脉宽调制电路*调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。1.调频电路*调频式测量电路原理框图如图所示。图中调频振荡器的振荡频率为：L——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，

C1为振荡回路固有电容,

C2为传感器引线分布电容,

Cx=C0±ΔC为传感器的电容。1.调频电路*当被测信号为0时，ΔC=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，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为：1.调频电路*调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。1.调频电路*由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;

Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。2.运算放大器电路*由运算放大器工作原理可得如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入上式，可得“-”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系2.运算放大器电路*运算放大器式电路虽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Ui的幅值和固定电容C值稳定。2.运算放大器电路*3.差动脉宽调制电路又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。*3.差动脉宽调制电路*当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，Q非端为低电平(0)，则触发器通过R1对Cx1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，Q非端为高电平(U1)。此时，电容Cx1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由Q非端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，此时，电容Cx2通过二极管D2迅速放电至零，如此交替激励。3.差动脉宽调制电路*显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容Cx1、Cx2的调制。当Cx1=Cx2

时，电路各点的电压波形如图(a)所示，Q和Q非两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当差动电容Cx1和Cx2的值不相等，例如Cx1>Cx2时，Cx1和Cx2充放电时间常数发生变化，电路中各点的电压波形如图(b)所示。*3.差动脉宽调制电路*3.差动脉宽调制电路UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为：C1、C2的充电时间T1、T2为：设R1＝R2＝R，则：输出直流电压与传感器电容差值成正比*把平行板电容的公式代入，在变极板距离的情况下可得：式中,d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0；若Cx1≠Cx2，设Cx1>Cx2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,则有

3.差动脉宽调制电路*同样，在变面积电容传感器中，则有：由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。3.差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路实例3.差动脉宽调制电路*3.3电容传感器的主要特性3.3.1静态灵敏度3.3.2非线性

*3.3.1静态灵敏度静态灵敏度为被测量变化缓慢的状态下，电容变化量与引起其变化的被测量之比。1变极距型2变面积型3变介电常数型*1静态灵敏度——变极距型静态灵敏度与初始间距有关，而且不是常数，随被测量变化而变化。

*要提高灵敏度，应减小d0，但过小不但影响两极板间移动的平稳性，而且容易使电容器击穿。一般可在极板间放置云母片或塑料膜，以提高电容器耐击穿性能。1静态灵敏度——变极距型g0dgd*1静态灵敏度——变极距型云母的g是空气0的7倍。云母片的击穿电压不小于103KV/mm，空气的击穿电压为3KV/mm，即使0.01mm的云母片它的击穿电压也不小于10KV/mm，因此初始d0可以大大减小。是恒定值，它能使电容传感器的线性得到改善。只要dg合适，就能较好的线性。一般的起始电容在10~20pF之间，极板间距在25~200m的范围内，最大位移应小于间距的1/10。*2静态灵敏度——变面积型圆柱形变面积型电容式传感器灵敏度系数kg取决于r2/r1，r2与r1越接近，灵敏度越高。内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应影响传感器的线性。*平板式变面积电容传感器静态灵敏度为常数增大极板宽度b、减小间距d，可提高灵敏度。极板起始遮盖长度的大小与灵敏度无关，但是也不能太小，否则将因边缘电场影响增大而影响传感器的非线性。2静态灵敏度——变面积型*3静态灵敏度——变介电常数型变介电常数型电容传感器静态灵敏度在忽略边缘效应时，其输入被测量与输出电容量一般呈线性关系，因而静态灵敏度系数为常数。*变极距型，当极板间距变化时：输出电容∆C与被测量之间是非线性关系。只有当(∆δ/δ<<1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为C＝C0(∆δ/δ)。注意δ取值不能太大，否则将降低灵敏度。3.3.2非线性*3.3.2非线性如果电容式传感器输出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被测量∆δ就与∆XC成线性关系，不需要满足∆δ<<δ这一要求了。在忽略边缘效应时，变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容式传感器具有很好的线性，但实际上由于边缘效应引起极板或极筒间电场分布不均匀，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。*改进方法——差动电容在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。*在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd，则：改进方法——差动电容*在Δd/d0<<1时,按级数展开得，电容值总的变化量为：改进方法——差动电容*电容值相对变化量为：略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成为线性关系：如果只考虑式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为：改进方法——差动电容*改进方法——差动电容结论灵敏度提高一倍非线性误差减小一个数量级*3.4电容传感器的特点及设计要点3.4.1电容传感器的特点3.4.2电容传感器的设计要点*优点温度稳定性动态响应结构简单适应性强非接触测量具有平均效应3.4.1电容传感器的特点*缺点输出阻抗高负载能力差寄生电容影响大输出特性非线性3.4.1电容传感器的特点*1.保证绝缘材料的绝缘性能2.消除和减小边缘效应3.消除和减小寄生电容的影响4.防止和减小外界干扰3.4.2电容传感器设计要点*电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器3.5电容传感器的应用*3.5电容传感器的应用变极距型量程0.01m——数百微米精度0.01m分辨力0.001m变面积型量程0.1mm——数百毫米线性优于0.5%分辨力0.01——0.001m*3.5电容传感器的应用机械量测量直线位移角位移振动振幅（高频）精密轴系回转精度加速度*3.5电容传感器的应用当电容式传感器测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单边式变极距型，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极在传感器内。是非接触测量，动态范围比较小，约为十分之几毫米左右，测量精度超过0.1m，分辨力为0.01~0.001m。*角度和角位移传感器用于精密测角，如高精度陀螺和摆式加速度计。动态范围0.1"——几十度分辨力0.1"测振幅传感器峰值0——50m频率10——2kHz灵敏度高于0.01m非线性误差小于0.05m3.5电容传感器的应用*3.5电容传感器的应用压力、差压、液位、料面、成分含量（油、粮食中的水分）、非金属材料的涂层、油膜等的厚度；电介质的湿度、密度、厚度等；自动检测和控制系统中用作位置信号发生器。*3.5电容传感器的应用电容式接近开关不仅能检测金属，而且能检测塑料、木材、纸、液体等其他电介质；静电电容式电平开关是广泛用于检测储存在油罐、料斗等各种物体位置的一种成熟产品。*3.5.1差动电容式压力传感器3.5.2电容式加速度传感器3.5.3差动式电容测厚传感器3.5.4电容式振动位移传感器3.5.5电容式液位计3.5.3电容式料位计3.5电容传感器的应用*3.5.1差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器的结构图。*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。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。3.5.1差动电容式压力传感器*3.5.1差动电容式压力传感器*3.5.1差动电容式压力传感器风洞试验中的电容式差压传感器*3.5.2电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图*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发生变化，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，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。3.5.2电容式加速度传感器*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