第三章 电容式传感器重点

1、第三章 电容式传感器,2020/7/5,2,1、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,2、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。,4、应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数。,3、缺点：电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。,各种电容式传感器,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。,电容式位移传感器的位移测量范围在1um10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。,2020/7/5,6,第一节 工作原理与类型,电容式传感器

2、的基本工作原理如图所示，从中可看出，S，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类型： 1、改变极板面积的变面积式； 2、改变极板距离的变间隙式； 3、改变介电常数的变介电常数式。,d、S或发生变化时，都会引起电容的变化。,（31）,2020/7/5,7,（一） 角位移变面积型,一、 变面积型,变面积型电容传感器可分为角位移和直线位移两种。,显然：电容C 与角位移呈线性关系。,（32）,当：,当：,线性,当其中一个极板发生 x 位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。,（二） 板状线位移变面积型,2020/7/5,10,其测量灵敏度为,显然，减少两

3、极板间的距离d，增大极板的宽度b可提高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b受到传感器体积的限制。 需要说明的是，位移x不能太大，否则边缘效应会使传感器的特性产生非线性变化。 变面积型电容传感器还可以做成其他多种形式，常用来检测位移等参数。,（35）,变极距型电容传感器,二、 变间隙型,下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板之间的电容量C就改变了。,2020/7/5,12,例：电容式传声器,下极板上移：,设动片未移动时极板间距为d0,初始电容量为：,电容的相对变化量为：,（36）,略去高次项，得：,所以变极距型电容传感器在设计时要

4、考虑满足dd0的条件。且一般d只能在极小的范围内变化。,非线性误差与d/d0有关。其表达式为：,传感器的灵敏度为：,2020/7/5,16,4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性，,1、电容量C与d不是线性关系，只有当 d d0时，才可认为是最近似线形关系。,2、要提高灵敏度，应减小起始间隙d0。,3、当d0过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。,5、在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。,讨论： 当dd0时 则,（二）差动结构,动极板上移：,初始位置时，,提高一倍,减小,略去高次项：,电容量的相对变化为 ：,非线性误差为：,灵敏度：,2

5、020/7/5,20,三、 变介电常数型,当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。,液位传感器,（一）电容式液面计,因为：,气体部分的电容为,液体部分的电容为,液位传感器,其中,所以：总电容为,上式表明，液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系。,例： 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。,解：因为,所以,同理，当被测液位高度最大，即hx= h

6、 =1.2m时传感器的电容量最大。,图5-5 变面积型电容传感器原理图,储存灌的容积为：,故传感器的灵敏度为：,厚度传感器,（二） 电容式测厚仪,厚度传感器的等效电路,因为：,所以：,测出电容C的值，即可由上式求出待测材料的厚度。,2020/7/5,27,第二节 测量电路,电容式传感器的输出电容值非常小（通常几皮法至几十皮法），因此不便直接显示、记录更难以传输。为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，大多归纳为调幅电路、脉宽调制电路和调频电路三大类，以下分别作简要介绍。,C0C,一、调幅型测量电路,（一）交流电桥电路 1、单臂

7、接法 右图为单臂接法的交流电桥电路。 电路空载时，先将电桥调至平衡状态，即C0C2C1C3，U00 当电容发生C的变化时，电桥失去平衡，其输出电压为,注意：在推导中用到了初始平衡条件C0C2=C1C3。 可见输出电压与被测电容之间是非线性关系。,右图为差动接法交流电桥电路，其中相邻两臂接入差动结构的电容传感器。此时,US,US,整理可得,2、差动接法,（319）,二、 运算放大器式电路,图3-10 运算放大器测量电路,Cx,1、基本电路 Cx为传感器电容，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据基尔霍夫定律，有：,如果传感器是一只平行板电容，则：

8、,代入（3-20）式得：,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d 成正比。运算放大器电路解决了单个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倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。,2020/7/5,32,2、可调零电路,为解决输出电压的初始值不为零的缺点，采用右图所示的可调零电路，其输出电压从电位器动点对地引出。 由右图可导出其输出电压为,式中 Cx0传感器的初始电容值。,+,_,2020/7/5,33,当Cx0C0时，则,由上式可见，初始状态时CxCx0C0，则U00，即初始的输出电压为零。,如果传感器是一只平行板电容，则：,所以：,

9、又称差动脉冲调宽 电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，UF为其参考电压。,二、脉宽调制型测量电路,当接通电源后，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充电；当M 点电位UM 升到与参考电压UF 相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平， 端为高电平(U1)。此时，电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由 端经R2向C2充电；当

10、G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，此时，电容C2通过二极管D2迅速放电至零，如此交替激励。,显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2的调制。当C1=C2 时，电路各点的电压波形如图3-13(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。当差动电容C1和C2的值不相等，例如C1C2时，C1和C2充放电时间常数发生变化，电路中各点的电压波形如下图 (b)所示。,t,uA,uA,uB,uB,uAB,uAB,UM,UM,UN,UN,Ur,Ur,UF,UF,-U1,U1,T1,U1,-U1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

11、,T2,U1,U1,U1,U1,T1,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),图313差动脉冲调宽电路各点电压波形图,U0,根据电路知识可知：,UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为C1和C2的充电时间； U1触发器输出的高电位。,C1、C2的充电时间T1、T2为：,A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差，,设R1R2R，则,说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,对于差动式变极距型电容传感器：,对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为S，则滤波器输出为：,可

12、见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。,三、调频型测量电路,振荡回路固有电容,传感器电容,引线分布电容,图3-14 调频型测量电路的原理框图,调频电路的优点：,抗干扰能力强 特性稳定 高电平直流信号 易于接口,第三节 实际中存在的问题及其解决方法,一、温度对结构尺寸的影响 环境温度的改变，将会引起部分零件几何尺寸和几何位置的改变，从而产生附加电容的变化。 解决方法为： 1、选择温度系数小、几何

13、尺寸稳定的材料。 2、采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。,适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。,图 边缘效应,二、电容电场的边缘效应,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘，但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,图3-16 带有等位环的平板式电容器传感器,边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。

14、,三、寄生电容的影响 传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。,“寄生电容” 降低了传感器的灵敏度，且是随机变化的，使传感器的工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此必须对传感器进行静电屏蔽，对电缆也要用屏蔽线，且屏蔽线外套同样要接地。,第四节 电容式传感器的应用, 一、差动电容式压力传感器 图 3 - 17 所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 ,二、电容式测微仪,电容式测微仪是利用被测物件与探头之间的距离和电容成反比的原理制成的。 可测量被测物件的微位移和微振动。精度在微米数量级。,本章小结,1、电容器的电容量CS/d。如果设法使某一被测量的变化引起电容器的面积S、间隙d、介电常数中的某一参数发生变化，那么就可将被测量的变化变换成电容量的变化，