电容式传感器原理和应用

1、第四章电容式传感器，4.1工作原理和结构，1，4.2灵敏度和非线性，4.3特性和应用问题，3，4.4电容式传感器测量电路，4，2，4.5电容式传感器应用程序，5，概述，电容传感器为非功耗-适用于位移、振动、角度、加速度等参数测量。电容式传感器结构简单、尺寸小、分辨率高、非接触测量，具有很高的应用前景。4.1电容传感器的工作原理和结构，由绝缘介质分离的两个平行金属板组成的平面电容器，不管边缘效应如何，其电容量如下。式：电容式磁极之间介质的介电常数。其中0是真空介电常数，r是介电之间的介电相对介电常数；A被两块平行板复盖的面积；D两个平行板之间的距离。如果不更改其中两个参数，只更改其中一个参数，则

2、可以将该参数的更改转换为电气容量更改，并且可以测量回路并将其转换为电气输出。4.1电容式传感器具有可分为可变螺距、可变区域和可变介质类型的工作原理和结构。电容式传感器比更改其他参数的电容传感器具有更高的测量灵敏度，因此在实际使用时通常通过更改平行板间距d来测量。改变平行板间距d的传感器可以测量微米单位位移，而改变区域a的传感器只能用于测量厘米单位位移。4.1电容传感器的工作原理和结构，4.1.1变极电容传感器的下图是变极电容传感器的示意图。如果传感器的r和a是恒定的，初始极距为d0，则根据图4-1可变极轴容量传感器原理图、4.1电容传感器的工作原理和结构、电容器极间的距离从初始值d0减小到 d

3、，并且电容增加，则传感器的输出特性C=f(d)基于图4-2所示的曲线关系而不是线性关系进行识别在样式(4-3)中，c与 d具有近似线性关系，因此变极电容传感器在 d/d0上只能有非常长的近似线性输出。4.1电容传感器的工作原理和结构，基准(4-4)表明，与d0相比，相同 d变化引起的 c增加，可以提高传感器灵敏度。D0太小，电容器可能损坏或短路。为了防止图4-2电容量与板之间的距离关系、击穿或短路，可以使用极之间的高介电常数材料(云母、塑料薄膜等)作为介质。云母片的相对介电常数是空气的7倍，屈服电压不低于1000 kV/mm，对于空气来说只有3kV/mm。因此，如果有云母的话，可以大大减少板块

4、之间的起始距离。同时，提高了传感器输出特性的线性度。一般变极电容传感器的起始电容在20 30pf之间，极点之间的距离必须在25 200 m的范围内，最大位移必须小于间距的1/10，因此在微位移测量中使用最广泛。4.1电容式传感器工作原理和结构，4.1.2可变面积电容式传感器上图是可变面积电容式传感器原理结构图。通过基准移动测量，两个板的有效范围s发生了变化，从而改变了电气容量。图4-3可变面积电容式传感器原理图，4.1电容式传感器的工作原理和结构，4.1电容式传感器的工作原理和结构，移动板在a方向上与固定板相关的 x时可用：表达式的初始容量。电容的相对变化很明显。这种形式的传感器适合于测量较大

5、的线性位移和角度位移，而范围不限于线性范围，因为功率容量c和水平位移 x是线性关系。4.1电容式传感器的工作原理和结构，下图是电容式角位移传感器的结构图。如果移动板有角度位移，则与基准板的有效覆盖面积发生变化，从而改变两个板之间的电容。=0时，图4-4电容式角度位移传感器原理图，4.1电容式传感器工作原理和结构，表达式：r 3354介质相对遗传常数；57346 d0 两个平板之间的距离；57346 A0 两个平板之间的初始复盖面积。0时，传感器的电容c表示角度位移和线性关系。4.1电容式传感器工作原理和结构，4.1.3可变介质电容式传感器下图是面板间介质的电容式传感器测量液体水平高低的结构图。

6、图4-5电容式水平传感器原理图，4.1电容式传感器的工作原理和结构，正在测量的介质的介电常数为1，液体水平高度为h，转换器的总高度为h，内管直径为d，外管直径为d，则转换器电容值为： 空气介电常数；初始电容值，由57347 c0 转换器的基本大小确定。也就是说，该变换器的电容增加与测量的电平高度h成正比。4.1电容传感器的工作原理和结构，可变介质容量传感器有更多的结构类型可用于测量纸张、绝缘薄膜等厚度，可用于测量非导电固体介质(例如食品、纤维、木材或煤)的湿度。下图显示了典型的结构样式之一。在图中，两个平行电极固定，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器，改变两个介质的板盖

7、区域。图4-6可变介质容量传感器，4.1容量传感器的工作原理和结构，总传感器容量c为：格式：L0，b0极板长度和宽度；L 第二介质进入平板的长度。对于介质，当L=0时传感器初始电容：介质进入磁极之间的L时电容的相对变化是可见电容的变化与介质移动量L的线性关系。4.2电容传感器的灵敏度和非线性，如上分析表明，除变极电容传感器外，多种形式传感器的输入量和输出容量之间的关系是线性的，因此，仅讨论变极平板电容传感器的灵敏度和非线性。从C=c0 d/d0中可以看出，电容的相对变化量为：时，自下而上可以看到4.2电容传感器的灵敏度、非线性、自上而下，输出电容的相对变化量 c/c和输入位移 d之间存在非线性

8、关系。您可以省略次要项目以取得近似。电容式传感器的灵敏度包括：单位输入位移引起的输出电容的相对变化大小与d0成反比。4.2电容式传感器的灵敏度和非线性，如果考虑系列扩展表达式的线性项和二次项，则计算如下：传感器的相对非线性误差可以通过以上三种方法知道。要提高敏感度，必须减小起始间隔d0，但是非线性错误会随着d0的减小而增加。在实际应用中，为了提高灵敏度和减少非线性错误，大部分使用差别结构。4.2电容传感器的灵敏度和非线性，下图是变极差动平板电容传感器的结构图。具有差动平板电容器直接板位移 d时，电容器C0的间距D1变为d0- d，电容器C2的间距D2变为d0-d。图4-7差分平板电容器结构，4

9、.2电容传感器的灵敏度和非线性展开成系列。电容值的总变化量为电容值的相对变化量为：4.2如果只考虑电容传感器的灵敏度和非线性、电容值的相对变化量表达式的线性项和第三项，那么电容传感器的相对非线性误差将根据比较以上的公式显示，电容传感器以微分形式制造后，灵敏度将提高一倍，非线性误差将大大减少。4.3特征和应用问题，4.3.1电容式传感器的特征1。优点：温度稳定性好的电容式传感器的电容值通常与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，热量低，对稳定性影响不大。电阻传感器具有电阻，供电后产生热量。感应传感器会因铜损耗、磁巡回和涡流损耗等原因导致热量零点漂移。简单的结构电容传感器结构简单，易于制造，保

10、证和4.3特性及应用存在的问题，高精度，可以非常小，用于特定测量。可以在高温、强辐射热、强磁场等恶劣环境下工作，能承受巨大的温度变化，还能承受高压力、高冲击、超负荷等；可以测量超高温和低压差，还可以测量波段磁工作。充电板之间静电的重力(动态响应的电容式传感器)非常小(大约几个)，所需的作用能量很少，移动部分非常薄，质量很轻，因此固有频率高，动态响应时间短，在几兆赫兹频率下工作，特别适合动态测量。此外，由于遗传损失小，可以用更高的频率供电，系统运行频率高。可用于测量高速变化的参数。非接触测量可以使用平均效果进行非接触测量，例如，非接触测量旋转轴的振动或偏心率、小滚珠轴承的径向间隙等。电容式传感器

11、在非接触测量可用的情况下具有平均效果，可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。4.3功能和应用问题，4.3功能和应用问题，容量传感器是可测量的最小压力、力和最小加速度、位移等，因为除上述优点外，充电板之间静电的重力较小，所需输入和输入能量也很小。非常敏感，分辨率高，对0.01m以下的位移敏感。机器灵敏度很高，因为像空气这样的遗传损失很小，使用差分结构，连接到桥类型时发生的零残像很少，可以将电路放大到高倍率。4.3特征和应用问题，2 .缺点高输出阻抗、低负载容量容量容量容量容量电容传感器的容量受该电极的几何尺寸等的限制。一般来说，从几个皮肤到数百个峰值，传感器的输出阻抗很高。输出阻抗最大到，尤其是

12、使用音频范围内的交流电源时。因此，传感器容易受到外部干扰，导致不稳定性，在严重的情况下可能无法工作。4.3特性和应用问题，寄生容量影响大容量电容传感器由于结构和大小的限制，初始功率容量小(几pF 几十pF)，连接传感器和电子线路的引线电缆电容(1 2m导线可达800pF)，电子线路的杂散电容和传感器内部板及其周围导体组成的“寄生容量”，4.3功能和应用程序问题，4.3.2应用程序问题1。电容传感器的等效电路部分各种电容传感器的特性分析在纯电容条件下进行。这在可忽略传感器额外损失的典型情况下也是可能的。电容传感器在高温、高湿和高频激励条件下工作时，不能忽略额外的损耗和电气效果，等效电路如下图所示

13、。图4-8电容传感器的等效电路，4.3特性和应用问题，图l包括引线电缆电感和电容传感器本身的电感。C0是传感器本身的电容。Cp是引线电缆、连接的测量电路和板外形成的总寄生电容，是克服其影响提高电容传感器实际性能的关键之一。Rg是低频损耗并联电阻，包括板间泄漏和介电损耗。Rs是高湿、高温、高频激励操作中的串行损耗电气组，包括导线、板间和金属支撑等损耗电阻。4.3功能和应用问题、低频、传感器电容的阻抗非常大，l和Rs的影响可以忽略；等效电容Ce=C0 Cp；等效电阻ReRg。低频等效电路如下图所示。在高频下，电容的阻抗变小，l和Rs的影响不可忽视，漏电的影响可忽略。其中Ce=C0 Cp，Re-Rs

14、。高频等效电路如下图所示。图4-9低频等效电路图4-10高频等效电路，4.3特性和应用问题，基于高频等效电路，电容传感器的电容一般较小，因此即使使用几兆赫，批量电阻仍很大，Rg和Rs也可以忽略，因此，容量传感器的等效灵敏度在电容传感器的电源频率较高时，传感器的灵敏度从kg变为ke，ke是传感器的固有电感，包括电缆电感在这种情况下，每次更换此处的频率或传输电缆时，都必须重新校准测量系统。4.3功能和应用程序问题，2 .在边缘效果上分析各种电容传感器时忽略边缘效果的影响。实际上，如果极厚度h与极距离d的比率相对较大，则边效果的影响不可忽略。此时，板半径为r的可变螺距电容传感器的电容值应计算如下：边

15、缘效应不仅降低了电容传感器的灵敏度，而且产生了非线性。为了消除4.3特征和应用中的问题、边缘效果的影响，可以采用具有保护环的结构，如下图所示。保护环与接地板同心，电绝缘，间距越小越好，中间工作区场强分布均匀，保持等电位，克服边缘效应的影响。为了减少钣金的厚度，很多时候用石英或陶瓷等非金属材料，用板材敷薄金属，而不是把整个金属板做成板材。图4-11带保护环的电容式传感器电路图，4.3特征和应用问题，3。静电重力电容式传感器在两个磁极之间有静电场，因此有静电重力或转矩。静电引力的大小与磁极之间的工作电压、介电常数和磁极之间的距离有关。一般来说，使用此静电的重力较小，但推力非常小的弹性元件时，必须考

16、虑静电的重力引起的测量误差。4.温度影响环境温度的变化通过改变电容传感器输出相对测量的输入量的单值函数关系，引入温度干扰误差。该效果主要是4.3的特性和应用的问题，(1)温度对结构大小的影响电容传感器对结构大小的变化特别敏感，因为间隔很小。传感器的每个部件的材料线膨胀系数不匹配，温度变化将导致非常大的间距和巨大的相对变化，从而导致温度误差很大。设计电容传感器以满足温度误差修正要求时，要适当选择材料和相关结构参数。(2)温度对介质的影响温度对介电常数的影响取决于介质，空气和云母的介电常数温度系数几乎为零。某些液体介质(如硅油、煤油等)具有较大的介电常数温度系数。4.4电容传感器的测量电路，电容传感器的电容值和电容变化值都很小，因此小的功率容量不能直接显示在当前显示设备上，也不能被记录器接受或易于传输。这个小电容增量必须使用测量电路检出，并转换为与单值函数的关系的电压、电流或频率。容量转换电路包括FM电路、运算放大器电路、二极管双t型交流桥、脉宽调制电路等。4.4电容传感器测量电路，4.4.1调频测量电路调频测量电路使用电容传感器作为振荡器谐振电路的一部分。如果输入量改变了电容，那么振荡器的振荡频率就会改变。通过使用频率作为测量系统的