传感器技术第4章-电容式传感器

1、第四章 电容式传感器 电容传感器工作原理 电容传感器性能分析 3 电容传感器测量电路 4 电容传感器的应用,电容传感器是将被测量转换成电容量的测量装置，它与电阻传感器和电感传感器相比，具有如下优点： 测量范围大，C/C 可达100%； 灵敏度高，相对变化量可达10-7； 动态响应时间短，可动部分质量小，固有频 率高； 结构简单、适应性强。,第一节 电容传感器工作原理,电容量C 的变化决定于参数S、d 和，因而有三种基本类型的电容传感器。,：介质介电常数 r极板间介质的相对介电常数 0真空的介电常数 =8.8510-12F/m S ：极板面积 d ：极板间距离,一、变极板间距离（d）型,结构类型

2、 1、变极距型电容式传感器,电容微位移计,极板1固定不动的 极板2沿间隙方向平行位移,1定极板,2动极板,：极板间介质介电常数 0：真空介电常数 r ：极板间介质相对介电常数 ：极板间距离 S ：极板面积,进行微位移测量时，Xd0（工程中一般取X/d0=0.020.1），则上式具有近似的线性关系,设初始两极板间的距离为d0 ，此时电容量为 , 当极板2沿极板垂直方向移动X ： 两极板间距离为 d =d0X（极板2上移时，X0；下移时X0），则电容量为,特性分析：,灵敏度和非线性误差？,为了提高传感器的灵敏度，减小初始极间距，在两极板之间加绝缘介质（如云母片），提高耐击穿电压(1000kv/mm

3、:3kv/mm)。如图,非线性误差随着d0的减小而增大 为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围 XUf时，UNUf 时，UMT2； 反之，C1减小，则C2增加，T1T2,C1增加，C2减小的波形如左图,（1）变d 型 对于变d 型差动电容传感器，传感电容的大小与极间距离d 成反比，即对应于 C1= C +C ，C2= C C 时 d1= d d ，d2=d +d 。 此时差动输出电压平均值可改写为,无论是变d 型或变S 型差动电容传感器，差动脉冲调宽电路输出电压与变化量C（d 或S）之间有着一一对应的线性关系，而与脉冲调宽频率的变化无关，且对输出矩形波纯度要求不高，这对电

4、容传感器测量电路十分重要的,（2）变S型 对于变S 型差动电容传感器，传感电容的大小与极板的有效面积S 成正比，即对应于C1=C +C ，C2=CC 时，S1=S +S，S2=SS ，此时差动输出电压平均值可改写为,四、运算放大器测量电路,Cx为传感电容 C0为固定电容,理想情况下： 运放的输入阻抗很大，增益 也很大,可得：,输出信号与输入信号源电压、固定电容和传感电容的参数有关 故要求： 1、信号源ui必须采取稳压措施； 2、固定电容C0必须稳定。,代入Cx的公式，则输出电压与d是线性关系,五、二极管双T形交流电桥,线路简单，不需要附加其他相敏整流电路,第四章 电容式传感器,六、环行二极管冲

5、放电法,第三节 电容传感器的应用 电容传感器不但应用领域广、环境适应性好，而且检测的精度和灵敏度高。这些优点不但与组成电容传感器的材料性质和结构尺寸有关，还与电容传感器的正确应用有关，在应用中应该注意以下几个问题。,一、误差分析 电容传感器作为高精度检测装置，某些微量因素的变化亦可能引入测量误差，如温度、电场的边缘效应、寄生电容等。,1温度影响 温度主要影响传感器的结构尺寸,致使极板有效面积和厚度发生变化。 温度对电容器极板间某些介质的介电常数也有一定的影响。空气和云母的介电常数基本不受温度影响。而硅油、煤油等液体介质的介电常数是随温度的升高而减小的，这种变化引入的误差只有在测量电路中进行补偿

6、。 温度还可能影响到电容器极板支承架的电绝缘性能。,2电场的边缘效应 电容器极板周边的极间电场分布不均匀，称之为边缘效应。此边缘效应使电容传感器测量精度下降、非线性上升，当检测精度要求很高时，可考虑加装等位环,3寄生电容的影响 电容传感器的电容值通常很小，测量电路若处理不当，其寄生电容有可能大于传感器电容，使电容传感器无法工作。 （1）减小引线长度 尽量减小电容器极板引出线的长度，且不要平行布线；在可能的情况下，将电容传感器与测量电路集成为一体，这样既可以减小寄生电容，同时可使寄生电容量基本不变。 （2）屏蔽电容器 可将电容和测量电路整体屏蔽，并保证屏蔽体有效接地。,二、灵敏度的提高 电容传感

7、器的电容量很小，一般为几PF至几十PF，任何微小的测量误差都可能使电容传感器灵敏度大大下降。为了提高灵敏度，电容传感器极间距离d 取得很小（小于1mm）。但过小的d 容易引起电容器极间电击穿，为此可考虑在极板间插入云母片 云母的介电系数比空气高约7倍 空气的击穿电压为3KV/mm 云母的击穿电压不少于103KV/mm，即厚度为0.01mm的云母片，其击穿电压也高于10KV 极间插入云母片后，可适当减小极间距离，以提高灵敏度,在变极板间距离型电容传感器中，插入云母片后,式中 S电容器极板的有效面积； d1、1云母片的厚度和介电常数； d0、0极板间空气隙的长度和空气的介电常数。,三、应用举例 1

8、电容式差压变送器,1、2：测量膜片 3：感压膜片 两室中充满温度系数 小、稳定性高的硅油 密封。 4、5：固定电极 6：绝缘体 （玻璃或陶瓷）,将差动电容的变化反映出压差P 的变化,式中K 线性比例系数，则差动输出为,在压差P =PHPL作用下，动极3向左挠曲d ，此时d13=d0d ，d23=d0+d ，由于d 很小，故可认为,设极板间距离为d13和d23 。初态时，PH=PL ，可动电极3居中，即d13=d23=d0 ，差动电容CH =CL,图415 电容式测微仪原理图,2电容式测微仪 高灵敏度电容测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅，其最小检测量可达0.01m。图415为电容式测

9、微仪原理图，图中S 为电容测头的端面积，h 为测头与被测件间的距离，即待测距离，测头与被测件表面间形成的电容为CX ，即,待测电容CX接在高增益运放的反馈回路中，如图412所示，此时测微仪的输出电压为,显然输出电压与待测距离h成线性关系。,为了减小圆柱形测头的边缘效应，一般在测头外侧加装等位环，在等位环外侧加护套，测头电极、等位环、护套三者之间加绝缘层,3电容式偏心度计 利用变极板间距离型差动电容传感器原理,根据输出电容C 的大小检测出电缆芯线偏心度d 的大小，dd0，因而C 与d 有较好的线性关系。,第四章 电容式传感器,4.4 电容式传感器的应用 1、电容式压力传感器,电 容 式 差 压 传 感 器,第四章 电容式传感器,变 面 积 式 压 力 传 感 器,第四章 电容式传感器,荷 重 传 感 器,第四章 电容式传感器,2、电容式加速度传感器,第四章 电容式传感器,3、电容式测厚传感器,第四章 电容式传感器,4、电容式液位传感器,第四章 电容式传感器,5、电容式温度传感器 该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改变的原理进行测量。 以BaSrTiO3为主的陶瓷电容器，其介电常数在温度超过居里点之后，会随着温度的上升成反比的下降，如图所示。若将这种电容器与电 感组成谐振回路，则其谐振频 率