电容式传感器 传感器技术与应用

1、第4章电容式传感器、4.1电容式传感器(原理、类型、特性等)。本章主要内容)、4.2 *电容式传感器(普通)、4.3电容式传感器应用程序(设计点、应用示例)、本章内容和时间安排：4.1电容式传感器、电容式传感器是一种将正在测量的变化转换为电能变化的传感器。本质上是具有可变参数的电容器。最常用的是平行板容量传感器和圆柱容量传感器。可用于测量压力、力、位移、振动、液面、成分含量等。4.1.1平行板电容传感器工作原理，两个板内相互覆盖的有效区域为S(m2)，两个板间距离为d0(m)，板间介质的介电常数为(F/m)。如果忽略板边的影响，则平板电容器的电容量C(F)为：其中r -相对介电常数；0 -真空

2、的介电常数，0=8.8510-12F/m表明，r，s，d0的三个参数都直接影响电容c的大小。如果变更其他参数而不变更先前的两个参数，则会变更电气容量。因此，电容传感器可以分为三种类型：变极(变间隙类型):板距d0变化；可变面积类型：改变板的相对面积。可变介电常数类型：介电常数变化。1 .可变极坐标类型(图4.1)，=常量，S=常量，极距离d0可变，此时：C=f(d0)，图形的flate 1固定，固定板，flate 2是可移动板。如果可移动平板根据正在测量的变更移动，请变更两平板之间的距离d 0，以变更电量。c与D0的函数关系是双曲线。特性分析，如果移动板位于初始位置d0，则电容器的初始电容为C

3、0，如果间距为d，则电容变化量C为：如果电容器的相对变化量为C/C0，则电容的相对变化量为ddddddd 0，常识可以通过忽略父项扩展为系列。在这种情况下，电容变化量C和板间距变化量 d表示近似线性关系。例如：如果极相对偏差为0.1，则误差达10%，误差更大。此样式指示敏感度k是平板间距d0的函数，d0越小，敏感度越高。降低D0会增加非线性错误，电容器的屈服电压会使制造变得困难。为此，在实际应用中，经常使用差分结构来改善非线性。这些传感器的灵敏度是：我们只提出差动电容传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差可以减少一个阶段(见教材)。应用可变字段类型：电容麦克风，(a)角度位移，(b)线性位移图4

4、.4可变区域电容传感器，2。可变区域类型，=常数，d 0=常数，相对区域可变，此时C=f(S)。其结构如下图所示。a)每次位移、特性分析、移动板有角度位移时，两个板之间的覆盖区域s发生变化，从而改变了电量。=0时C0=S/d0，0时显示：电容c 和角位移是线性关系。b)线性位移(图4.4 b)在移动板移动x时，盖发生变化，电容量发生变化。其值为：灵敏度：可见：增加初始容量C0可以提高传感器的灵敏度。图4.5是齿形板的位移电容传感器。锯齿板的目的是利用平均效果减少误差。将锯齿板的齿数设定为n，二极管发生直线位移x时，该电容器，该传感器的灵敏度k变为，并且在磁极之间填充另一介质，如果介电常数发生相

5、应变化，则电容也发生变化。该传感器经常用于检测容器的液位高度、片状材料的厚度等。如下图所示，电容为两个电容器上的串联，即，3。可变介电常数类型，4.1.2圆柱电容式传感器工作原理，1 .同轴圆柱电容式传感器(可变区域类型)，右图为同轴圆柱电容式传感器图。，电容量为：两个气缸移动不同L时的电容变化量C为：通过以上分析，可以看出同轴圆柱电容传感器的灵敏度是常数，即输出C和输入L是理想的线性关系。测量的液体的液体水平在同心圆柱电极之间变化时，电容发生变化。此时，两个同轴圆柱电容C0，C1并行：2。与可变介质圆柱电容传感器(可变介电常数类型)相对应，电容液位计属于此。输出电容和液位高度呈线性关系。电容

6、水平传感器(液位计/液位计)，可变介质电容传感器应用，4.1.3电容传感器的特性，1，如果考虑等效电路电容器的损耗和电感效应，则电容传感器的等效电路，右图所示。c是传感器电容器，RP是并联损耗电阻，RS是引线电阻，l是电容传感器自电感和外部引线电感。因此，如果忽略等效阻抗ZC，即传感器的并行电阻Rp较大，串行电阻RS较小，则等效阻抗ZC为：因此，电容传感器的等效电容Ce可以获得如下：其中F0是等效电路谐振频率，电容传感器的等效电路，特别是高频具有串行谐振频率，该谐振频率通常为几十MHz。因此，一般电源频率必须远离此值，通常为1/2到1/3，传感器才能工作。通常在f10 MHz时，l的影响也可以

7、忽略，在实际使用中，除非使用条件保证与传感器校准时配线条件，否则不考虑l。(1)高阻抗电容式传感器通常容量较小，接受Xc=1/jC以表示高阻抗。(2)低功耗，2 .高阻抗和低功耗，3 .静电的重力，在测量的时间内，电容式传感器两极之间的静电场在移动板上产生额外的位移，从而产生测量错误。4.1.4转换电路、电容传感器使用的测量电路包括普通交流桥、变压器桥、FM电路、二极管双t型电路、运算放大器电路和差分脉宽调制电路。电容器连接桥可用多种方法，但必须访问交流桥，电源频率不能太低。像普通桥梁和变压器桥。1，FM电路，图4.10 FM测量电路方块图，测量信号为0时 c=0，振荡器具有固有频率F0，测量

8、信号为0时 c 0，振荡器频率相应改变，2，运算放大器电路，电路图如下图所示电容传感器在高增益运算放大器的输入和输出端之间跳接。运算放大器的输入阻抗很高，因此输出电压为，二极管双t型交流电桥可以被认为是使用电容充电和放电特性工作的理想运算放大器。3，二极管双t型交流桥，在图中，e是高频电源，振幅e的对称方波，VD1，VD2是具有完全相同特性的两个理想二极管，固定电阻R1=R2=R，RL是负载电阻，C1，C2是传感器的两个差动电容，单极容量传感器是固定电容，负载RL的两端电压是输出信号，可以推出：该电路的特点：线路简单，可以全部放置在探头上，大大减少电容引线，减少分布电容的影响；电源循环，振幅直

9、接影响灵敏度，要求高稳定性。输出阻抗为r，克服了电容传感器高内阻的缺点。适用于单组和差动电容传感器。4，差分脉宽调整电路*差分脉宽调整电路(脉宽调制电路)结构图如下所示。差动脉宽调制电路，优点：使用直流电源，高电压稳定性；组件的无线要求；没有频率稳定，不需要相位检测和解调；低通滤波器输出较大的直流电压，输出波形的纯度也不高。4.2容量栅格传感器*、4.2.1容量栅格传感器的类型和工作原理、1、类型：长容量栅格、圆形容量传感器是基于可变面积容量传感器开发的新型传感器。具有可测量的大位移(可达1m)、高精度(可达5m)、结构简单、能耗低等优点。第二，工作原理，1，长容量栅格传感器，2，圆形容量栅格

10、传感器工作方式类似于长容量栅格。长电容栅格传感器也称为线位移电容栅格传感器。由标尺和标尺组成。有关工作原理，请参见下图。4.2.2容量栅格传感器功能和抗干扰措施，第一，优点：1，能耗低。适用于用电池工作的测量场所。2、动态响应速度。3、能在高温、恶劣的环境下工作。第二，缺点：容易受到簧片、接地、外壳等的外部干扰，对后续放大器也有很高的要求。4.2.3容量栅格传感器信号处理方法(略)，1，幅度调制信号处理，2，相位调制信号处理，3，抗干扰能力改善措施1，功率频率增加。2、使用高输入阻抗op放大器。3、使用带通或频率选择放大技术。4、使用屏蔽。5、提高初始电容值。6、减少板厚，增加板宽。要遵循一些

11、原则。(1)结构设计时，应尽可能提高传感器的初始电容值。(2)防水防尘。严格防止湿气、灰尘、蒸汽。(3)电容器板绝缘和固定。(4)合理的材料选择。减少传感器的零点漂移。4.3电容式传感器应用4.3.1电容式传感器设计和应用要点，(5)合理选择电源电压频率。电源电压频率选择必须在500到1000Hz之间。(6)注意传感器的允许工作电压。(7)考虑连接电缆对传感器特性的影响。使用超小型大规模集成电路时，请使用“驱动器电缆技术等”。(8)使用屏蔽接地技术。4.3.2电容式传感器的应用实例，1，电容测微仪，高灵敏度电容式测微仪以非接触方式精确测量微位移和振动振幅。如果最大路径为(1005)m，则最小检测量为0.01m。右图为电容式千分尺探针结构图。图4.17电容测微仪原理图，2，电容压力传感器，图4.20(a)是单变极电容传感器电路图。用于测量气体或液体压力。图4.20(b)是小型差动电容式压力传感器。可用于小压力。产品，陶瓷电容器压力传感器，液体压力作用于陶瓷膜片的表面，膜片产生位移。右图是电容式加速度计的结构图。质