石大机械工程测试技术讲义09电容式传感器

电容式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、含义二、工作原理三、类型1、极距变化型2、面积变化型3、介质变化型四、测量电路1、电桥电路2、运算放大器式电路。3、调频式电路。4、差动脉冲调宽电路。五、优缺点六、应用补充问题1、部分固体介质变隙式电容传感器与空气介质的变隙式电容传感器相比，有什么特点？2、为什么变面积式电容传感器的测位移范围大？3、为什么采用变介电常数式电容传感器测量介质介电常数的变化，比测量介电材料厚度变化的性能好？4、影响电容式传感器测量精度的主要因素是什么？如何消除或减小其影响？5、如何提高电容式传感器的灵敏度？一、含义以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。它由固定极板、活动极板和两极板之间的电介质三部分组成。二、工作原理当忽略边缘效应时，平板电容器的电容量可表示为：式中：——极板相互遮盖面积；——极板间介质的介电常数；——两平等极板间距离。由上式可见：在、、三个参量中，只要保持其中两个不变，改变其中的一个，均可使电容量改变，这就是电容感器的工作原理。三、类型根据电容器变化的参数，电容式传感器可以分为三种型式：改变极板距离的变间隙式（极距变化型）；改变极板面积的变面积式（面积变化型）；改变介质介电常数的变介电常数式（介质变化型）。1、极距变化型优点：可进行动态非接触测量，对被测系统的影响小；灵敏度高；缺点：有非线性误差，传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响；与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。由于这些缺点，其使用范围受到一定限制。适用于较小线位移（~数百微米）的测量。2、面积变化型。优点：是输出与输入成线性关系，具有允许输入的直线位移范围大和灵敏度为常数等优点。缺点：与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大直线位移及角位移的测量。根据极板形状的不同，有平板、扇形、圆筒三种形式。电容式传感器为什么常作成差动形式？极距变化型和面积变化型电容式传感器在实际应用中常做成差动形式。原因：为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精确度的影响。3、介质变化型。原理：因为各种介质的介电常数不同，两电极间加以空气以外的其它介质，当它们之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变。优点：具有线性输入输出特征。可进行一些特殊量的测量，也可用来测量空气的温度、物质中的含水量、非导电材料的厚度、非金属材料涂层等。四、测量电路电容式传感元件将被测物理量变换为电容变化后，因其输出非常微小，必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并转换成与其相对应的电压、电流或频率信号，只有这样才能对其进行显示、记录以及传输。电容式传感器配用的测量电路种类和很多，下面介绍常用的几种。1、电桥电路（1）单臂接法的桥式电路：电路结构简单，可接电桥输出的大小来标定被测量，使用方便，此种电路常用于料位自动测量仪中，常用于棉纱直径测量等。（2）紧耦合电桥电路：具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频工作，应用广泛。（3）变压器式电桥：使用元件少，桥路内阻最小，目前较多采用。（4）双电桥电路：结构简单，灵敏度高，动态响应快，过载能力强，以及能在恶劣环境（如高、低温及强辐射）中正常工作等。2、运算放大器式电路。最大优点是能够克服变间隙式电容传感器特性的非线性关系，而使其输出信号能与输入机械位移有线性关系。3、调频式电路。灵敏度高，可测量甚至更小的变化量；抗干扰能力强，易于得到数字输出。缺点是振荡频率受温度和电缆电容的影响大，线路较复杂，输出非线性较大等。4、差动脉冲调宽电路。线性度好，输出大，调宽频率的变化对输出无影响，由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高，可获得直流输出。五、优缺点1、优点：1）高阻抗、小功率，需要的输入能量很低。2）动态范围大，动态响应快。3）几乎没有零漂，精度高，稳定性好。4）体积小，结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作。5）可实现非接触测量，对被测试件几乎没有影响。2、缺点：1）变极距式输出特性为非线性。2）分布电容影响严重，易引起测量误差。六、应用目前电容式传感器利用变d和变S可以直接用于测量线位移、角位移的测量，通过其它一些中间转换手段，可用于振动、噪声、压力、压差、荷重、加速度等物理量的测量。变介电常数的检测方法是它明显的特点，是其它方法不可比拟的，因此可导致一些特殊量的测量。可以检测密闭容器中的液位，不导电松散物质的料位，非导电材料的厚度，可用来测量金属的表面状况，距离尺寸，油膜厚度，原油及粮食中的含水量等。补充问题1、部分固体介质变隙式电容传感器与空气介质的变隙式电容传感器相比，有什么特点？对于空气介质的变隙时电容传感器，减小极间距离，可使电容量加大，从而使灵敏度增加，但过小容易引起电容器击穿，为此，经常在两极板间再加一层云母或塑料固体介质，来改善电容器的耐压性能，这就构成了部分固体介质的变隙式电容传感器，这种传感器是在牺牲非线性误差的前提下，以换取灵敏度的提高。2、为什么变面积式电容传感器的测位移范围大？该传感器的基本特性和灵敏度的表达式分别为：，。因此可知，由于这类传感器具有灵敏度为常数的线性特性，因而被测位移范围较大。3、为什么采用变介电常数式电容传感器测量介质介电常数的变化，比测量介电材料厚度变化的性能好？变介电常数式电容传感器分为测量介质介电常数变化和测量介电材料厚度变化两种形式，由它们的特性方程可知，前者的灵敏度与非线性误差不矛盾，即灵敏度越高，非线性误差越小；而后者则相矛盾，即灵敏度越高，非线性也越大。因此，用这类传感器测量介质介电常数变化比测量介电材料厚度变化的性能要好。4、影响电容式传感器测量精度的主要因素是什么？如何消除或减小其影响？分布电容对电容式传感器测量精度的影响非常大，一方面是因为传感器的初始电容量很小，一般只有几皮法—几十皮法，测量时电容量的变化更小，常在以下；另一方面传感器极板与周围元件之间以及连接电缆都存在分布电容，其电容值甚大（也在几皮法至上百皮法）且不稳定。这就使测量精确度受到严重影响，甚至无法工作。分布电容还造成传输效率降低，灵敏度下降，测量误差增加，稳定性变差。为此必须采取适当的技术措施来减小或消除分布电容的影响。常用的措施有：缩短传感器和测量电路之间的电缆，甚至将测量电路的一部分和传感器做成一体或采用专用的驱动电缆。将处理信号的电子线路安装在非常靠近极板的地方可削弱分布电容的影响。5、如何提高电容式传感器的灵敏度？为了提高电容传感器的灵敏度，减小外界干扰、