第3章 电容式传感器.压力测量

1、第3章静电容量式传感器的压力测量，第3章静电容量式传感器的工作原理和特性3.2静电容量式传感器的特征和设计要点3.3静电容量式传感器的等效电路3.4静电容量式传感器的测量电路3.5静电容量式传感器3.6压力的概念和压力计的分类3.7电动压力计3.8压力计的使用， 第三章静电电容式传感器.压力测量、本章内容、绪论静电电容式传感器以各种类型的电容器为传感器元件，将测量的物理量的变化转换成静电电容的变化。 特征： (1)小功率、高阻抗。 (2)小的静电引力和良好的动态特性。 (3)自身发热的影响较小。 (4)可进行非接触测量。 应用：应用于压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度、成分含量等的测定

2、。 PartA电容式传感器、3.1电容式传感器的工作原理和特性、3.1.1工作原理和类型、静电电容式传感器由传感器和转换元件成为一体的电容可变的电容器和测量电路构成，其变量间的转换关系原理如图所示。 另外，PartA静电电容式传感器在改变s、d、3个参数中的任一个量时，能够使静电电容c变化。 即，如果s、d、3个参数中的任一个根据被检测参数(例如位移、压力、液位等)的变化而变化，则能够利用与此相应的电容的变化来实现参数测定。 由此，静电电容式传感器是(1)极间距离变化型静电电容式传感器(2)面积变化型静电电容传感器(3)介质变化型静电电容传感器. PartA静电容量式传感器，3.1.2静电容量

3、式传感器的特性分析，1 .变极距离型静电容量式传感器，初始静电容量为：间隙d0使d变小，静电容量使c变大：静电容量的相对变化为：PartA静电容量式传感器，当时，上式用泰勒级数展开了：静电容量c 通过在误差允许范围内省略高次项，可以得到其近似的线性关系：静电电容传感器的静态灵敏度随着极板间距的减小而增大，PartA静电电容传感器仅考虑二次非线性项，忽略其他高次项，就可以得到非线性误差：根据以上的分析，极板间距型静电电容传感器为d/d 如、c，d，C1，C2，C1，C2，图所示，极间距离的变化对应于相同值d的电容变化量不同，随着极板间距离的减少，非线性增大，PartA静电电容式传感器的灵敏度的提

4、高和非线性的减少，以及电源电压，环境温度的变化工作时差动电容器的总电容变化为：当时，将上式展开为泰勒级数，得到：PartA静电电容传感器，省略非线性高阶项，得到：变极距离差动电容传感器的灵敏度k，变极距离差动电容传感器的非线性误差l，与、近似，静电电容传感器成为差动式结构后，非线性误差大同时，差动式静电电容传感器减小了静电引力对测量的影响，有效地改善了环境影响引起的误差。 PartA静电容量式传感器，2 .变面积型静电容量式传感器，PartA静电容量式传感器，(1)变面积型静电容量式传感器用于线位移测量，可动极板移动时极板的有效面积发生变化，对应的电容值为：PartA静电容量式传感器，变面积型

5、静电容量式平板形状的结构对极间距离的变化特别敏感，受测量精度的影响，而圆柱形状的结构对极板的径向变化的影响较小，是实际上最常用的结构。 其静电电容计算式为：重叠长度x变化时，静电电容变化为：灵敏度为：其输出与输入呈线性关系，灵敏度为常数，与极板变化型相比，圆柱型静电电容传感器的灵敏度较低，但测定范围较宽。PartA静电电容式传感器、(2)变面积型静电电容式传感器用于角位移测定，单片角位移时，两极板间的被复面积发生变化，静电电容发生了变化。 旋转角时、=0时，灵敏度：角位移式静电电容传感器的输出特性为线性，灵敏度k为常数。 PartA静电电容式传感器，3 .介电体型静电电容式传感器，C1为由液体

6、的有效高度hx形成的电容，C2为由空气高度(h-hx )形成的电容，则C1和C2并联，因此总电容为：PartA静电电容式传感器，电容c在理论上为液面的高度PartA静电容量式传感器、静电容量式油表，在罐中充满油时，液面水平上升，指针停留在角m处。 油箱内的油位下降后，电容器传感器的容量Cx减少，桥失去平衡，伺服电动机反转，针逆时针弯曲(显示值减少)的同时，RP的滑动臂动作。 当RP的电阻值达到一定值时，桥达到新的平衡状态，伺服电机停止，指针停留在新的位置(x地点)。PartA静电容量式传感器、静电容量式液位计、棒状电极(金属管)之外包括特氟隆管，如果被检测液体的液面上升，棒状电极和导电性液体间

7、的容量就变大。 聚四氟乙烯套、PartA静电电容式传感器、PartA静电电容式传感器、湿式感电容式模块和传感器外形、PartA静电电容式传感器、3.2静电电容式传感器的特征和设计要点、(1)温度稳定性好的传感器的电容值一般与电极材料无关， 仅依赖于电极的几何尺寸，空气等介电损耗小，因此只要从强度、温度系数等机械特性合理地选择材料和几何尺寸即可，其他因素(自发热极小)的影响极小。 电阻式传感器有电阻，供电后发热的感应式传感器有铜损、涡流损失等，引起自身的发热引起零漂移。 1 .电容传感器的优点，3.2.1电容传感器的特征，PartA电容传感器，(2)结构简单，适应性高的电容传感器结构简单，制造容

8、易。 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。 另外，为了实现特定的特殊要求的测量，传感器可以小型化。 因为在PartA静电容量式传感器、(3)静电引力小的静电容量式传感器的两极板间存在静电场，所以在极板上作用有静电引力和静电力矩。 静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关系。 一般来说，由于该静电引力小，所以只对推进力小的弹性传感器，必须考虑静电引力引起的测量误差。 (4)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，(数十5n左右)所需的作

9、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，能够在数MHz的频率下动作，特别适用于动态测量另外，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。 可用于测量振动和瞬时压力等高速变化的参数。 PartA电容式传感器在(5)能够进行非接触测量，有平均效果的被测量物不能采用接触测量的情况下，电容式传感器能够完成测量任务。 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，所以所需的输入能量极小，特别适合于测定低能量输入，例如测定极低的压力、力和小

10、的加速度、位移等，灵敏度高，分辨率非常高PartA静电电容式传感器(1)输出阻抗高、负载能力差的静电电容式传感器的电容受其电极的几何学尺寸等限制，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源的情况下，输出阻抗为100 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，传感器的绝缘部分的电阻值要求极高(数十m以上)。 如果不这样做，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)，所以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

11、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 .静电电容式传感器的缺点、PartA静电电容式传感器、(2)寄生电容的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 )、测定电路的寄生电容及由传感器板及其周围的导体构成的电容等“寄生电容”很大， 降低传感器灵敏度的这些电容(例如，电缆容量)经常随机变化，并且传感器的操作变得不稳定，从而影响测量精度，其变化量超过了测量的电容的变化量，并且传感器变得不动作。 因此，对电缆的选择、安装、接合法有要求，PartA静电电容传感器、(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是非线性的

12、，可以通过差动结构改善，但不能完全消除。 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。 随着材料、工艺、电子技术尤其是集成电路的高速发展，静电电容式传感器的优点不断得到发挥和克服。 电容传感器是高灵敏度、高精度的，正在成为动态低压特殊测量的有希望的传感器。 PartA电容式传感器、3.2.2电容式传感器的设计要点、电容式传感器具有的高灵敏度、高精度等独特的优点，与正确的设计、材料选择、微细的加工技术是分不开的。 在传感器设计过程中，必须在要求的范围、温度、压力等范围内，尽量使其具有低

13、成本、高精度、高分辨率、稳定可靠的频率响应等。 1 .消除、降低边缘效应引起的边缘电场失真，使工作不稳定，非线性误差也增加。 为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用如图所示具有保护环的结构。 (a )边缘效应原理图(b )带保护环的电容传感器结构，PartA电容传感器，2 .提高结构设计中的绝缘性能，减少环境温度、湿度等变化引起的误差，保证绝缘材料的绝缘性能，温度变化使传感器内各部件的几何尺寸和位于相互位置的介质的介电常数发生变化，传感器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，确保绝缘材料具有高绝缘性能。 电容式传感器的金属电极的材

14、料优选温度系数低的铁镍合金，但是加工困难。 也可以采用向陶瓷或石英喷涂镀金或银的工艺，这种电极可以极薄，对减小边缘效应非常有利。 传感器内的电极表面总是很难清洗，所以必须密封用于防尘防潮。电极表面镀上极薄的惰性金属(如铑等)层，可以代替密封件发挥保护作用，可以防尘、防湿、防蚀，可以在高温下降低表面损失，降低温度系数，但成本高。 PartA静电电容式传感器、传感器内、电极支架除了具有一定的机械强度外，还具有稳定的性能。 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。 这些材料虽然加工困难，但比塑料、有机玻

15、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、煤油等液体为介电体，如果周围温度、湿度发生变化，介电常数也会随之变化，产生误差。 该误差可以用后续的电子电路补偿，但不能完全消除。 此外，PartA静电电容式传感器可在传感器中采用差分对称结构以减少某种类型的测量电路(例如，桥接器)中的温度等误差。 选择50kHz数MHz作为静电电容传感器的电源频率，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

16、免水分侵入内部，导致电容值的变化和绝缘性能降低。 传感器的外壳刚性很高，以免在安装时变形。 PartA静电电容式传感器，(1)为了增加传感器的原始电容值，缩小接头或极筒之间的间隔(平板间隔为0.20.5mm，圆筒间隔为0.15mm )，增加工作面积或工作长度，增加原始电容值，但加工和组装工序、精度、显示范围、破坏电压、结构一般的电容值的变化在10-3103pF的范围，相对值的变化在10-61的范围。 (1)增加传感器原来的电容值(2)注意传感器的接地和屏蔽(3)集成化(4)“驱动电缆”(2层屏蔽等位传输)技术(5)采用运算放大法(6)整体屏蔽法、PartA静电电容式传感器，(2)注意传感器的接

17、地和屏蔽图接地图中的可动极筒和连杆一起固定，随着测量而移动。 由于可动极筒与传感器的屏蔽壳(良导体)相同，因此即使可动极筒移动，固定极筒和屏蔽壳之间的电容值也不变化，从而消除由此产生的虚假信号。 导线电缆也需要屏蔽在传感器屏蔽壳内。 为了减小电缆容量的影响，请尽量使用短而粗的电缆，缩短传感器到电路前段的距离。，绝缘体，屏蔽盒，固定极筒，可动极筒，连杆，接地屏蔽圆筒形静电电容式传感器的图像，PartA静电电容式传感器的情况下，(4)静电电容式传感器的静电电容值很小， 在由于某种原因(例如环境温度高)测量电路只能离开传感器的情况下，可以采用“驱动电缆”技术。 传感器和测量电路前段之间的导线是双屏蔽

18、层电缆，其内部屏蔽层和信号传输线(即电缆芯线)在1:1放大器中成为同电位，芯线和内部屏蔽层之间的电容消失。 屏蔽线有根据传感器输出信号的变化而变化的电压，所以被称为“驱动电缆”。 通过采用该技术，即使电缆如图所示相隔10m，也不会对设备的性能造成影响。 (3)将集成化传感器和测量电路本身或其前段内置于1个壳体中，省略传感器的电缆引线。 由此，寄生电容大幅度减少，固定变得容易，设备的动作稳定。 但是，该传感器是电子部件的特征，在高、低或环境差的情况下不能使用。 PartA静电电容式传感器、外部屏蔽层接地或接地，防止外部电场的干扰。 内外屏蔽之间的容量为1:1放大器的负载。1:1放大器是输入阻抗要求高、有电容性负载、放大率为1 (精度要求为1/10000 )的同相(零相移)放大器。 因此，“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但也保证了静电电容