电容式液位传感器

1、第四章电容传感器简介电容传感器使用各种类型的电容作为传感元件，并将测量的物理量的变化转化为电容的变化。特点：(1)低功耗、高阻抗。(2)静电引力小，动态特性好。(3)自身发热影响不大。(4)可以进行非接触测量。用途：用于压力、位移、厚度、加速度、液位、料位、湿度和成分含量的测量。4.1电容式传感器的工作原理和特点，4.1.1电容式传感器的工作原理和类型，由电容可变的电容器和集成敏感元件和转换元件的测量电路组成，变量之间的转换关系原理如图所示。可以看出，电容C可以通过改变三个参数S、D和D中的任何一个来改变。也就是说，如果检测到的参数(例如位移、压力、液位等)的改变。)导致三个参数S、D和D中的

2、一个改变，电容的相应改变可用于实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三类：(1)极距可变电容式传感器；(2)可变面积电容传感器；(3)介电可变电容传感器。4.1.2电容式传感器的特性分析，1。变极距电容式传感器，初始电容为：当间隙d0减小D时，电容增加C，然后：电容的相对变化为：这时，上述公式根据泰勒级数展开，可以看出电容C的相对变化与位移之间存在非线性关系。在允许的误差范围内，忽略高阶项得到近似线性关系：电容传感器的静态灵敏度为，灵敏度随极板间距的减小而增大；如果只考虑二次非线性项而忽略其他高阶项，则可以获得非线性误差。从以上分析可以知道，只有当d/d0非常小时，可变极距电容传感器才具有

3、近似线性输出。C、D、D0、D、D、C1、C2、C1、C2，如图所示，对应于相同的极距变化值D的电容变化是不同的，并且非线性随着极距的减小而增大。为了提高灵敏度，减小非线性，克服电源电压和环境温度变化等外界条件的影响，工作时差动电容的总电容变化如下：此时，上述公式根据泰勒级数展开，省略非线性高阶项，变极距差动电容传感器的灵敏度为K，变极距差动电容传感器的非线性误差L近似为。可以看出，电容式传感器制成差动结构后，非线性误差大大减小，灵敏度比单极性距离电容式传感器提高了一倍。同时，差动电容式传感器还可以减小静电引力对测量的影响，有效改善环境影响引起的误差。2.具有可变面积的电容式传感器，(1)用于

4、测量线性位移的电容式传感器。当移动板移动时，板的相对有效面积发生变化，相应的电容值为：在变面积电容式传感器中，板状结构对极距的变化特别敏感，影响测量精度，而圆柱形结构很少受板的径向变化影响，成为实际中最常用的结构。电容的计算公式为：当重叠长度x改变时，电容变为：灵敏度为：表示输出与输入成线性关系，灵敏度为常数。然而，与极板型相比，圆柱形电容传感器灵敏度较低，但测量范围较大。(2)用于角位移测量的电容式传感器。当移动板有角位移时，两个板之间的覆盖面积改变，从而改变电容。当旋转角度为0时，角位移电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度k是恒定的。3。可变介质电容传感器、同轴圆柱的初始电容另一种测量介质

5、介电常数变化的电容式传感器的结构如图所示。让电容器极板面积为S，间隙为A。当厚度为D，相对介电常数为R的固体介质通过极板间隙时，它相当于电容串联。因此，电容器的电容值为：(1)如果固体介质的相对介电常数发生变化，电容的相对变化为33，360，(2)如果传感器保持电阻不变并改变介质的厚度，则可用于测量介质的厚度变化。(3)如果被测介质填充在两个极板之间，则d=a，初始电容为4.2。电容式传感器的特点和设计要点，(1)温度稳定性好的传感器的电容值一般与电极材料无关，只取决于电极的几何尺寸，而空气等介质的损耗很小，因此只需合理选择材料和几何尺寸，考虑强度和温度系数等机械特性，以及其他因素(由于自身发

6、热量小)的影响。电阻传感器有电阻，供电后产生热量；感应传感器有铜损耗、涡流损耗等。这导致自加热和零漂移。1.电容式传感器的优点；2.结构简单，适应性强。电容式传感器结构简单，易于制造。它能在高低温、强辐射、强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强，尤其能承受较大的温度变化，能在高压、高冲击和过载下正常工作，能测量超高压和低压差，还能测量磁性工件。此外，传感器的尺寸可以做得很小，以便达到一些特殊的测量要求。4.2.1电容传感器的特性，(3)静电吸引小电容传感器的两个极板之间存在静电场，因此静电吸引或静电力矩作用在极板上。静电引力的大小与工作电压、介电常数和电极之间的距离有关。一般来说，这种静电引

7、力很小，所以只有驱动力小的弹性敏感元件才应考虑静电引力引起的测量误差。(4)动态响应好的电容式传感器由于极板间的静电引力很小(约为10-5N)，它只需要很少的动作能量，而且由于它的可动部分可以做得很小很薄，也就是说，它的质量很轻，所以它的固有频率很高，动态响应时间很短，可以工作在几兆赫的频率上，特别适合动态测量。并且由于它的低介电损耗，它可以由更高的频率供电，所以系统具有更高的工作频率。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动和瞬时压力。(5)非接触测量可以实现平均效应。当被测零件不允许接触测量时，电容传感器可以完成测量任务。采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度对测

8、量的影响。除了上述优点之外，由于带电板之间的静电引力非常小，电容传感器需要非常少的输入能量，因此它特别适合于测量低能量输入，例如测量非常低的压力、力、小加速度和位移等。它可以非常灵敏，具有非常高的分辨率，可以感觉到0.001米甚至更小的位移。(1)高输出阻抗和低负载容量电容式传感器的容量受其电极几何尺寸的限制，通常为几十到几百pF，这使得传感器的输出阻抗非常高，特别是在音频范围内使用交流电源时，输出阻抗高达106108。因此，传感器负载能力差，容易受到外部干扰的影响，导致不稳定。在严重的情况下，它甚至不能工作，所以必须采取屏蔽措施，这给设计和使用带来了不便。大容抗还要求传感器绝缘部分的电阻值极

9、高(超过几十米)，否则绝缘部分将充当旁路电阻，影响传感器的性能(如灵敏度降低)。因此，特别注意只有当电场的边缘效应被忽略时，其他类型的电容传感器的输出特性才是线性的。否则，边缘效应引起的附加电容将直接与传感器的电容叠加，使输出特性非线性。随着材料、技术、电子技术，特别是集成电路的飞速发展，电容式传感器的优点得到了发展，缺点也不断被克服。电容传感器正在成为一种高灵敏度、高精度的传感器，在动态、低电压和一些特殊测量方面有着广阔的发展前景。(2)寄生电容对传感器的初始电容影响不大，但“寄生电容”如引线电容(l2m线可达800pF)，测量电路的杂散电容和传感器极板及其周围导体形成的电容较大，降低了传感

10、器的灵敏度；这些电容(如电缆电容)经常随机变化，这会使传感器工作不稳定，影响测量精度，甚至超过测量引起的电容变化，导致传感器不工作。因此，对电缆的选择、安装和连接都有要求。4.2.2电容式传感器设计的关键点，电容式传感器的高灵敏度、高精度等独特优势离不开其正确的设计、材料选择和精细加工技术。在设计传感器的过程中，它应该具有低成本、高精度、高分辨率、稳定性、可靠性以及在要求的范围、温度和压力内的高频响应。1.消除和减少条纹效应引起的条纹电场畸变，使操作不稳定，增加非线性误差。为了消除边缘效应的影响，结构设计中可以采用带保护环的结构，如图所示。(一)消除边缘效应示意图；(二)带保护环的电容传感器结

11、构；2)提高结构设计中的绝缘性能，减少环境温度和湿度变化带来的误差，以保证绝缘材料的绝缘性能。温度变化会改变传感器中零件的几何尺寸和相互位置以及某些介质的介电常数，从而改变传感器的电容并导致温度误差。湿度也会影响某些介质的介电常数和绝缘电阻。因此，有必要从材料选择、结构和加工工艺等方面减少温度等误差，保证绝缘材料的高绝缘性能。电容式传感器的金属电极由低温度系数的铁镍合金制成，但加工困难。也可以采用在陶瓷或应时上喷涂金或银的工艺，使得电极可以做得非常薄，这非常有利于减少边缘效应。传感器的内电极表面不方便经常清洗，应密封；用于防止灰尘和湿气。如果电极表面涂有极薄的惰性金属层(如铑等。)，它可以代替

12、密封件起到保护作用，可以防止灰尘、湿气和腐蚀，并可以减少高温下的表面损耗和温度系数，但成本较高。在传感器中，电极的支撑不仅要有一定的机械强度，还要有稳定的性能。因此，选择温度系数小、几何尺寸长期稳定性好、高绝缘电阻、低吸湿性和高表面电阻的材料。如应时、云母、人造宝石和各种陶瓷。虽然这些材料很难加工，但它们的性能比塑料和有机玻璃高得多。在温度不太高的环境中，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。尽量使用空气或云母以及其他介电常数温度系数接近零(不受湿度变化影响)的电介质作为电容式传感器的电介质。如果使用硅油和煤油等液体作为电介质，当环境温度和湿度发生变化时，它们的介电常数也会发生变化，从而

13、导致误差。虽然这个误差可以通过下面的电子电路来补偿，但不能完全消除。如果可能，传感器中应尽可能采用差分对称结构，以便某些类型的测量电路(如电桥传感器的外壳是刚性的，以避免安装过程中变形。(1)为增加传感器的原始电容值，极片或极之间的距离(平板型为0.20.5毫米，圆筒型为0.15毫米)减小，工作面积或工作长度增加，以增加原始电容值，但受加工和装配工艺、精度、指示范围、击穿电压和结构的限制。通常，电容在10-3103pF范围内变化，相对值在10-61范围内变化。(1)增加传感器的原始电容(2)注意传感器的接地和屏蔽；(3)集成(4)使用“驱动电缆”(双层屏蔽等电位传输)技术(5)使用运算放大器方

14、法；(6)整体屏蔽法，(2)注意传感器的接地和屏蔽图是带接地屏蔽的圆柱形电容传感器。在图中，活动杆筒和连杆固定在一起，并随测量一起移动。传感器的活动极柱和屏蔽壳(良导体)在同一个地，因此当活动极柱移动时，固定极柱和屏蔽壳之间的电容保持不变，从而消除了产生的虚假信号。引线电缆也必须在传感器屏蔽中屏蔽。为了减少电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆，以缩短传感器到电路前级的距离。带屏蔽壳、固定极柱、活动极柱、连杆、导杆和接地屏蔽的圆柱形电容传感器示意图。(4)采用“驱动电缆”(双屏蔽等电位传输)技术，当电容式传感器的电容很小时，由于某些原因(如环境温度高)，测量电路只能在传感器和测量电路的前级之

15、间引入双屏蔽电缆，内屏蔽和信号传输线(即电缆芯)通过1:1放大器成为等电位，从而消除芯和内屏蔽之间的电容。因为屏蔽线上的电压随着传感器的输出信号而变化，所以被称为“驱动电缆”。使用这种技术可以使电缆长达10m而不影响仪器的性能，如图所示。(3)集成传感器和测量电路本身或其前置级安装在一个外壳中，省略传感器的电缆引线。这样，寄生电容大大降低，易于固定，使仪器工作稳定。然而，由于电子元件的特性，这种传感器不能用于高温、低温或恶劣的环境。外屏蔽与大地或仪器接地相连，以防止外部电场的干扰。内外屏蔽之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一款同相放大器，输入阻抗要求高，容性负载和放大系数为1(精度

16、要求为1/10000)(相移要求为零)。因此，“驱动电缆”技术对1:1放大器的要求很高，电路也很复杂，但它能保证电容传感器即使在电容值小于1pF时也能正常工作。1: 1，测量电路前级，外屏蔽层，内屏蔽层，芯线，传感器，“驱动电缆”技术原理图，当电容式传感器的初始电容值很大(几百)时，只要选择合适的接地点，仍可采用一般的同轴屏蔽(5)整个屏蔽方法用相同的屏蔽外壳屏蔽电容式传感器、转换电路和传输电缆。正确选择接地点可以减少寄生电容的影响，防止外部干扰。下图显示了差动电容式传感器交流电桥采用的整个屏蔽系统。屏蔽层的接地点选择在两个固定的辅助阻抗臂Z3和Z4之间，以屏蔽电缆芯。层间寄生电容CP1和CP2分别与Z3和Z4并联。如果Z3和Z4比CP1和CP2小得多，寄生电容CP1和CP2对电桥平衡状态几乎没有影响。C1、C2、CP1、CP2、Z3、Z4、-A交流电容桥的屏蔽系统是最容易满足上述要求的变压器桥。此时，Z3和Z4是具有中心抽头的两个感应线圈，并且彼此紧密耦合，这使得结果寄生电容Cpl和Cp2对Z3和Z4的分流作用可以被削弱到很低的程度，而不影响交流电桥的平衡。可以增加另一层屏蔽，并且在差动电容传感器的两个电容器C1和C2之间选择