传感器与检测技术基础 电容式传感器

1、第3章把静电容量式传感器、各种静电容量式传感器、电容器作为传感器，把机械位移量转换成静电容量变化的传感器称为静电容量式传感器。 电容式位移传感器的位移测量范围为1um10mm，变极距离式静电电容传感器的测量精度约为2%。 可变面积式静电电容传感器测量精度高，分辨率可达到0.3um。 S 极板的复盖面积，单位为m2； 3354极板间介电常数两平行极板间的距离，单位为m； 0 真空的介电常数，0=8.85410-12 F/m； r 极板间介质的相对介电常数相对于空气介质是r 1。 3.1电容式传感器的工作原理和特性，3.1.1基本工作原理，平行极板电容器的电容为：3.1.2电容式传感器的类型和特性

2、， 1 .变极节距型静电电容式传感器，图3-1变极节距型静电电容式传感器，下极板上移动：将一侧不移动时的极板节距设为0，初始电容：省略电容的相对变化量：高次项而得到：由此，变极节距型静电电容式传感器考虑满足0的条件而设计。 一般来说只在极小的范围内变化。 非线性误差与/0有关。 其式：传感器的灵敏度为：差动式间隙型静电电容传感器，可动极板为上：初始位置时减少了一倍，省略高次项：静电电容的相对变化为：非线性误差为：灵敏度：角位移变化面积型，2 .变面积型静电电容传感器，明显电容C和角位移为线性关系。 板状线位移变化面积型、直线性、一个极板发生x位移时，两极板间的被复面积s发生变化，电容c也发生变

3、化。 同心圆筒形线位移静电电容式传感器，初始电容C0 :复盖长度变化时，电容也随之变化。 当内筒向上移动而设为a时，内外筒间的电容器C1为：3 .介电常数型电容器传感器，(a )一组式平板型厚度传感器中，设固定极板的长度为a，宽度为b，两极板间的距离为，被测定物的厚度及其介电常数分别为x和，则单组式平板型线位移传感器如果板之间没有介质2，则传感器的电容为：插入介质2之后的电容为：因此该公式显示电容c和位移x处于线性关系。 (c )液位传感器、圆筒式液位传感器，其中，例3-1的静电容量式液位传感器由直径40mm和8mm的两个同心圆柱构成。 贮存灌溉也是圆柱形的，直径为50cm，高度为1.2m。

4、储存液体的r=2.1。 计算传感器的最小静电容量和最大静电容量，以及传感器用于其储存罐时的灵敏度。 解：因此，同样地，被检液位的高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的静电容量最大。 图5-5的变面积型静电电容传感器的原理图，存储信宿的容积为：所以传感器的灵敏度为：3.2静电电容传感器的测定电路，3.2.1静电电容传感器的等效电路，图3-9静电电容传感器的等效电路，3.2静电电容传感器的测定电路，1 .桥电路， 由图3-10静电电容传感器构成的交流桥由图3-10的电容器传感器构成的交流桥，另外两个臂强耦合了感应臂的桥具有高灵敏度和稳定性，寄生电容的影响极小，大幅度简化桥的屏蔽和接地，适合高频电

5、源下的动作图3-11变压器式交流桥、变压器桥的使用元件最少，桥的内阻最小，因此现在被广泛采用。 差动电容传感器与变压器式桥连接，在放大器的输入阻抗极大时，对于任何类型的电容传感器，桥的输出电压和输入位移都呈线性关系。 在要求精度高的情况下，可以采用自动平衡桥的传感器必须在平衡位置附近工作，否则桥的非线性增大，连接了电容器传感器的交流桥的输出阻抗高，输出电压振幅小，因此，可以将高输入阻抗放大器因为桥输出电压与电源电压成比例，所以要求电源电压的变动极小，需要稳定幅度、稳定频率等对策，2 .运算放大器电路，Cx是传感器，C0是固定电容。 在运算放大器的输入阻抗高、增益大的情况下，可以认为运算放大器的

6、输入电流为零，根据克里希霍夫定律，如果传感器是平行板电容器：代入(3-20 )式的取得：运算放大器的输出电压与可动板的板间距离成比例。 运算放大器电路解决了单个可变极距型电容传感器的非线性问题。 上式是在运算放大器的放大率和输入阻抗无限大的条件下得到的，实际上该测量电路具有一定的非线性。 另外，如果将二极管双t形电路、图3-14二极管双t形电路、二极管理想化，则以正的半周期二极管D1导通，D2断开，电容器C1在极短的时间内对UE充电，电容器C2的电压初始值通过UE供给，电源经由R1供给RL 在负半周期中，二极管D2导通、D1关断，电容器C2马上被充电到电压UE，电源经由电阻R2由i1向负载电阻

7、RL供给电力，同时，电容器C1经由电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。 流过RL的总电流il是I1和I2的代数和。 根据一次电路时域分析的三要素法，电容器C2的电流i 2，有时电流i 2的平均值i 2，电容器C1的平均电流为：因此，在负载RL上产生的电压为、RL已知时，为常数、k，则输出电压不仅是电源电压的频率和振幅，也是t形网络一旦确定了电源电压，输出电压就只是电容器C1和C2的函数。 双t电路的特征：线路简单，全部可放入探针，大幅度缩短电容引线，减小了分布电容的影响电源周期，振幅直接影响灵敏度，要求高稳定性输出阻抗为r，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点线性差动脉

8、冲宽度调整电路利用对传感器电容的充放电，按照传感器电容的变化使电路输出脉冲的宽度变化。 可以得到与低通滤波器测量的变化相对应的直流信号。 C1、C2是差动式传感器的两个电容，单组合式中，一个是固定电容，其电容值与传感器电容的初始值相等的A1、A2是两个比较器，Ur是其基准电压。 4、差动脉宽度调制电路、电源接通后，若触发器q端为高电平(U1)，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1进行充电的f点电位UF与基准电压Ur相等，则比较器A1产生脉冲，使触发器反转此时，电容器C1经由二极管D1迅速地放电为0，触发器经由R2从端子向C2充电，若g点电位UG与基准电压Ur相等，则从比较器A2输出脉冲，触

9、发器反转，此时，电容器C2为二极管很明显，电路充放电的时间、即触发器输出的方波脉冲的宽度通过电容器C1、C2进行调制。 在C1=C2的情况下，电路的各点的电压波形如图3-17(a )所示，q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。 在差动电容器C1和C2的值不相等的情况下，例如C1C2的情况下，C1和C2的充放电时间常数变化，电路中的各点的电压波形如图3-17(b )所示。 t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t，t t，t，t，t，(a

10、)，(b )，差动脉冲宽度调制电路各点的电压波形图，U0根据电路知识，UA，UBA点和b点的矩形脉冲的直流成分； T1、t2-分别是C1和C2充电时间u1-触发输出的高电位。另外，C1、C2的充电时间T1、T2:a、b两点之间的电压通过低通滤波获得，与a、b两点之间的电压平均值UA和UB的差相等，如果R1=R2=R，则差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器的两电容差成比例。 在差动式变极距离型静电电容传感器：差动式变面积型静电电容传感器中，设电容器的初始有效面积为S0，变化量为s，则滤波器输出为：差动脉冲宽度调整电路可以适用于任何差动式静电电容传感器，具有理论的线性特性。 该电路采用直流电源，

11、可以通过对电压稳定性高、没有稳定频率、波形纯度的要求、也不需要敏感检波和解调等的元件的无线性要求低通滤波器输出大的直流电压，输出矩形波的纯度也不高。 5、调频电路、振荡电路的固有电容、传感器电容、导线分布电容、图3-18调频式测量电路的原理框图、调频电路的优点：抗噪声能力强的特性稳定的高电平直流信号容易接口：3.3电容式传感器的特征和设计与应用中存在的问题， 3.3.1电容式传感器的特征1 .静电电容式传感器的优点(1)温度稳定性好的传感器的电容值一般与电极材料无关，只依赖于电极的几何尺寸，空气等的介电损耗小。 如果考虑到强度、温度系数等机械特性，合理选择材料和几何尺寸的其他因素(因为自身发热

12、极小)，影响很小。 (2)结构简单，适应性高的静电电容式传感器结构简单，容易制造。 可以在高低温、强辐射、强磁场等各种严酷的环境条件下工作，适应力强，能承受特别大的温度变化，能在高压力、高冲击、过负荷等下正常工作，能测量超高压和低压差，也能测量带磁工件。 此外，为了实现特定的特殊要求的测量，传感器可以小型化。 3 .动态响应好的静电电容式传感器由于极板间的静电引力小(约10-5N )，所以需要的作用能量极小，另外其可动部分非常薄，即质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能够以数MHz的频率动作，特别适合动态测量另外，因为介质损耗小，所以可以以高频率供给电力，所以系统的工作频率高。 可用于测量

13、振动和瞬时压力等高速变化的参数。 4 .如果能进行非接触测量，且有平均效果的被测量物不能采用接触测量，电容传感器就能完成测量任务。 在采用非接触测量的情况下，电容式传感器具有平均效果，能够减小工件的表面粗糙度等对测量的影响。 静电电容式传感器除了上述优点之外，由于带电电极板间的静电引力极小，所以需要的输入能量极小，因此特别适合于测定低能量输入，例如测定极低的压力、力和小的加速度、位移等，灵敏度高，分辨率非常高。 2 .静电电容式传感器的缺点(1)输出阻抗高、负载能力差的静电电容式传感器的电容受到其电极的几何尺寸等的限制，一般为几十到几百pF，传感器的输出阻抗高，特别是在采用了音频范围内的交流电

14、源的情况下，输出阻抗为106 因此，传感器的负载能力差，容易受到干扰的影响而发生不稳定的现象，严重的情况下无法工作，需要采取屏蔽措施，给设计和使用带来不便。 电容阻抗大时，要求传感器的绝缘部分的电阻值极高(数十m以上)。 否则，绝缘部分作为旁路电阻影响传感器的性能(例如灵敏度降低)，因此要特别注意周围环境，例如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。 高频供电可以降低传感器输出阻抗，但放大、传输比低频时复杂得多，寄生电容的影响大，难以保证工作的稳定。(2)寄生电容影响大的传感器的初始电容很小，但其引线电缆电容(l2m引线达到800pF )、测量电路的寄生电容、由传感器板及其周围的导体构成的电容等“寄

15、生电容”很大。 “寄生电容”降低传感器的灵敏度，随机变化，使传感器的动作不稳定，影响测定精度，其变化量超过了测定的电容的变化量，传感器不动作。 因此，在电缆的选择、安装、连接上，(3)输出特性的非线性变极距离型静电电容传感器的输出特性为非线性的，虽然可以采用差动结构进行改善，但并不能完全消除。 其他类型的静电电容传感器只有在忽略了电场的边缘效应的情况下，输出特性才是线性的。 否则，由于边缘效应导致的附加电容与传感器电容直接重叠，输出特性变得非线性。 3.3.2设计和应用上存在问题的电容式传感器具有高灵敏度、高精度等独特优点，与正确的设计、材料选定、微细加工技术是分不开的。 在传感器设计过程中，

16、必须在要求的范围、温度、压力等范围内，尽可能使其具有低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠的频率响应等。 1、绝缘材料的绝缘性能的温度变化使传感器内各部件的几何尺寸和相互位置及某介质的介电常数发生变化，使传感器的容量发生变化，产生温度误差。 湿度也影响介电常数和绝缘电阻值。 因此，从材料、结构、加工技术等方面来看，必须减小温度等误差，保证绝缘材料具有高绝缘性能。 电容式传感器的金属电极的材料最好选择温度系数低的铁镍合金，但加工困难。 也可以采用在陶瓷或石英上喷涂镀金或银的工艺，这种电极极薄，对减小边缘效应非常有利。 传感器内的电极表面经常很难清洗，所以必须密封用于防尘防潮。 可以在电极表面电镀极薄

17、的惰性金属(例如铑等)层，代替密封件发挥保护作用，可以防尘、防湿、防蚀，可以在高温下减少表面损失，降低温度系数。 传感器内、电极支架不仅具有一定的机械强度，而且具有稳定的性能。 因此选定了温度系数小，几何尺寸长期稳定性好，具有高绝缘电阻、低吸湿性和高表面电阻的材料。 例如以石英、云母、人造宝石、各种陶瓷等为立足点。 这些材料很难加工，但比塑料、有机玻璃等性能高得多。 在温度不高的环境中，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选定。 尽量采用空气和云母等介电常数的温度系数接近零的介电体(也不受湿度变化的影响)作为静电电容式传感器的介电体。 如果以硅油、灯油等液体为介电体，当周围温度、湿度变化时，介电常数随之变化，产生误差。 这个误差可以用后续的电子电路补偿，但不能完全消除。 如果可能，可在传感器中尽可能采用差动对称结构以减少某些类型的测量电路(例如，桥)中的温度等误差。 作为静电电容传感器的电源频率选定50kHz数MHz，降低传感器的绝缘部分的绝缘要求。 传感器内的所有零件，请清洗、干燥后再组装。 请密封传感器，以免水分侵入内部，导致电容值的变化和绝缘性能降低。 外壳的刚性很好，所以安装时不要变形。 可以适当地减小极间距，增大电极的直径和边的长度和间距比，减小边缘效应的影响，但是容易引起破坏，测量