项目四 电容式传感器

1、电容式传感器,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测非电量变化转换为电容量的变化的一种传感器。它广泛应用于位移、振动、角度、压力、液位、成分含量等方面的测量。,电容式传感器的特点,结构简单，体积小，零漂小，动态响应快，灵敏度高，易实现非接触测量，本身发热影响小等。 随着电容测量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自动检测中得到了广泛的应用。,任务一 电容式传感器的结构类特征,用两块金属平板做电极，以空气为介质，可构成最简单的电容器，如图41所示。如果不考虑电容器边缘效应，其电容量为 图4-1平板电容器,任务一 电容式传感器的结构类特征,式中：C为电容量；A为两平行板所覆盖的

2、面积；d为两平行板之间的距离；为极板间介质的介电常数，=r0；0为真空介电常数，0=88510-12Fm-1；r为极板间介质的相对介电常数。 由式(41)可知，当d、A和(或r)发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变其中一个参数，就可以把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。这就是电容式传感器的基本工作原理。,一、结构类型,根据电容式传感器的工作原理，在实际应用中，一般可分成三种基本类型，即改变两极板间距离的变极距(d)型(或称变间隙型)、改变极板间覆盖面积的变面积(A)型和改变极板间介质的变介电常数()型。它们的电极形状有平板形、圆柱形和球

3、形三种。 项目四电容式传感器 传感器与检测技术项目化教程,一、结构类型,图4-2所示为常用电容器的结构形式。其中图(a)和图(e)为变极距型，图(b)(d)、图(f)(h)为变面积型，而图(i)(l)则为变介电常数型。变极距型一般用来测量微小位移(001m102m)；变面积型一般用于测量角位移(1100)或较大线位移；变介电常数型常用于物位测量及介质温度、密度测量等。其他物理量须转换成电容器的d、A或的变化再进行测量。 图4-2电容式传感元件的各种结构形式,图4-2,一、结构类型,一、结构类型,图4-3(a)所示为用于测量压力的JP312型陶瓷电容式压力传感器，此传感器的性能：量测范围0000

4、7MPa，020MPa；供应电源500VDC025VDC；反应时间小于10ms；综合误差不大于01FS；并具有抗腐蚀、抗磨损、耐冲击、无迟滞等特点。 图43(b)所示为用于测量料位、液位的ER型电容式传感器，此传感器可以用来检测导电体及非导电体，并可以在非金属材料的料筒外对料桶内的物料进行料位检测。图43(c)所示为用来测量加速度的SH105A620型电容式传感器的实物图，此传感器的参数和特点：测量范围：1g， 图4-3电容式传感器的实物图,图4-3,一、结构类型,一、结构类型,(a)陶瓷电容式压力传感器；(b)电容物位、料位传感器； (c)电容式加速度传感器；(d)电容式湿度传感器 15g，

5、17g，3g;具有自测试和故障自检功能；频率响应可调；能承受高冲击和振动；直接使用，无需外围额外器件；+5V电源，模拟电压输出；具有非常优异的温漂和时漂性能。图43(d)是用来测量湿度的HS1101型电容式传感器的实物图，此传感器的参数和特点：高精度2；极好的线性输出；199RH湿度量程；-40100的温度工作范围;响应时间5s；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿；无需校准；电容与湿度变化034pF/RH；长期稳定可靠，年漂移量05RH年；适用于温度仪表、家用电器、OA设备等。,二、主要特性,1变极距型电容式传感器 图4-1所示为变极距型电容式传感器的结构原理图。图中2

6、为静止极板(定极板)，而极板1为与被测体相连的动极板。当极板1因被测参数改变而引起移动时，就改变了两极板间的距离d，从而改变了两极板间的电容量C。,二、主要特性,当传感器的相对介电常数r和相对覆盖面积A为常数，初始极距为d0时，其初始电容量为 若电容器极板间距离由初始值d0减小了d，则电容量增大C，即,二、主要特性,由式(4-3)可以看出，传感器的输出特性不是线性关系，而是如图4-4所示的曲线关系。在式(4-3)中，若dd0，则式(43)可用泰勒级数展开得 C=C0+C=C01+dd0+dd02+dd03+ 即 由式(4-4)可知，输出电容的相对变化CC0与输入位移d之间的关系是非线性的，当d

7、d01时，可略去其高次项，得到近似线性关系式为 所以，电容式传感器的灵敏度为,其物理意义是单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。,图4-4,二、主要特性,二、主要特性,则从式(4-6)可以看出，灵敏度K与起始间距d0成反比，要提高灵敏度，应减小起始间距d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。因此，可在极板间放置云母片或其他高介电常数的材料加以改善，如图4-5所示，此时电容量为 (4-7) 式中：g为云母的相对介电常数；0为空气的介电常数；d0为空气隙厚度；dg为云母片的厚度。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kVmm，而空气仅为3kVmm。因此有了云母片，极板间

8、起始间距可大大减小。同时，式(4-7)中的dg0g项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 将式(44)略去二次方以上各项，则得 (4-8),图4-5,二、主要特性,二、主要特性,由此得到其相对非线性误差为 (4-9) 从式(4-9)可以看出非线性误差随着相对位移的增加而增加，减小d0相应地增加了非线性。 图4-4电容量与极板间距离的关系 图4-5放置云母片的电容器 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构。图4-6所示为变极距型差动平板式电容传感器结构示意图，中间为动极板，上下为定极板。当动极板上移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变

9、,图4-6,二、主要特性,二、主要特性,(4-10) (4-11) 图4-6变极矩型差动平板式电容传感器结构示意图 在dd01，按泰勒级数展开得 C1=C01+(dd0+dd0)2+(dd0)3+ C2=C01-(dd0+dd0)2+(dd0)3+ 电容值总的变化为 (4-12) 电容的相对变化为,二、主要特性,(4-13) 略去高次项，则CC0与dd0近似呈线性关系，即 CC0=2dd0(4-14) 传感器的灵敏度为 K=C/C0d=2d0(4-15) 如果只考虑式(4-13)中的线性项和三次项，则差动式电容传感器的相对非线性误差近似为 =|2(d/d0)3|2(d/d0)|100%=(dd

10、0) 100%(4-16),二、主要特性,比较式(4-6)与式(4-15)及式(4-9)与式(4-16)可见，差动式电容式传感器比单个电容传感器的灵敏度提高了1倍，而非线性误差大大降低了。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效地改善了由于环境影响所造成的误差。 2变面积型电容式传感器 。,(1) 线位移式变面积型电容传感器,图4-7所示为线位移式变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，在忽略边缘效应的条件下，改变后的电容量为 C=0rb(a-x)d 式中：a为极

11、板的宽度；b为极板的长度。 电容变化量为 (4-17) 式中：C0=0rbad为初始电容,图4-7,(1) 线位移式变面积型电容传感器,(1) 线位移式变面积型电容传感器,电容相对变化量为 CC0=-xa 灵敏度为 （4-18) 由式(418)可知线位移式变面积型电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度K为一常数。增大极板长度b，减小间距d都可以提高灵敏度。但极板宽度a不宜过小，否则会因为边缘效应的增加影响其线性特性。 (2)角位移式变面积型电容传感器 图4-8所示为角位移式变面积型电容传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生变化，从而改变了两极板间的电容量。 当=0时

12、，两半圆极板重合，初始电容量为,(1) 线位移式变面积型电容传感器,C0=0rA0d0 当0时，改变后的电容量为 (4-19) 电容的变化量为 C=C-C0=-C0 (4-20) 灵敏度为 K=-C=C0(4-21) 由式(4-19)与式(4-21)可知，角位移式变面积型电容传感器的输出特性是 线性的，灵敏度K为常数。 图4-7线位移式变面积型电容传感器原理图 图4-8角位移式变面积型电容传感器原理图,图4-8,(1) 线位移式变面积型电容传感器,当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，根据这个原理可构成变介质型电容式传感器。 变介质型电容式传感器的结构很多，其中有介质本身介电常

13、数变化的电容式传感器，利用这类传感器可以用来测量粮食、纺织品、木材、煤或泥料等非导电固体物质的湿度；还有一种情况，其中介质本身的介电常数并没有变化，但是极板之间的介质成分发生变化，即由一种介质变为两种或两种以上介质，引起电容量变化，利用这类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄膜的厚度或测量位移。,(1) 线位移式变面积型电容传感器,(1) 介电常数变化的电容式传感器,1)如果只有一种介质，介质本身介电常数变化。图4-9所示为变介质型电音式传感器的原理图。极板间只有一种介质，为介质的介电常数，则初始的电容量为 C0=Ad=0rAd 如果介质本身相对介电常数变化为r+r，则改变后的电容量为,(1) 介电

14、常数变化的电容式传感器,(4-22) 电容变化量为 C=C-C0=0Adr (4-23) 灵敏度为 K=Cr=0Ad(4-24) 由式(4 24)可见，只有一种介质的变介质型电容式传感器输出特性是线性的，灵敏度为一常数。,2) 含有被测介质和空气两种介质,如测粮食的湿度时，粮食不可能完全占据两极板之间的空间，粮食颗粒之间存在空气，如图410所示，其中0为空气的介电系数，r为被测粮食的相对介电常数。 图4-9只有一种介质的 变介,2) 含有被测介质和空气两种介质,质型电容式传感器 图4-10含有两种介质的变介质型电容式传感器 (a)实际情况；(b)等效情况 此时相当于两个电容串联，其初始电容量为

15、 C0=AD-d0+d0r=0AD-d+dr,图4-9,图4-10,2) 含有被测介质和空气两种介质,2) 含有被测介质和空气两种介质,如果被测介质的相对介电常数变化为r+r，则改变后的电容量为 (4-25) 电容的相对变化量为 (4-26) 式中：N2=11+r(D-d)d,N3=11+dr(D-d)。 当rr1，则式(4-26)可用泰勒级数展开为 (4-27),2) 含有被测介质和空气两种介质,略去高次项后，则CC0与rr N2有如下的近似线性关系： (4-28) 则灵敏度为 (4-29) 式中：N2为灵敏度因子。 将式(4-27)略去二次方以上各项，则得非线性误差为 =N3rr100%(

16、4-30) 式中：N3为非线性因子。,2) 含有被测介质和空气两种介质,综上分析，灵敏度因子N2与非线性因子N3均与间隙比dD-d有关，即与空气隙的厚度D-d有关。当空气隙D-d越小时，则灵敏度因子N2越大，说明灵敏度越高；同时非线性因子N3越小，说明非线性误差越小。另外N2与N3均与被测介质r有关。当r越小，灵敏度越高。因此，在使用这种传感器时，要求被测介质的初始介电常数越小越好。 图4-11电容式液位传感 器结构原理图,图4-11,2) 含有被测介质和空气两种介质,(2) 改变工作介质的电容式传感器,图4-11所示为一种变极板间介质的电容式液位传感器的结构原理图，此类传感器常用于测量容器中

17、液位的高低。在被测介质中放入两个同心圆筒形极板，当被测液体的液面在电容式传感器的两同心圆筒之间变化时，引起极板间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化。设被测介质的相对介电常数为r,液面高度为h，传感器总高度为H，内筒外径 为d，外筒内径为D，此时传感器电容值为 (4-31) 式中：为空气的介电常数；C0为由传感器的基本尺寸决定的初始电容值，即C0=2HlnDd。,3变介质型电容式传感器,图4-12变介质型电容式传感器 由式(4-31)可见，此传感器的电容量C与被测液位高度h呈线性关系。 图4-12所示为另一种变介质型电容式传感器的结构形式。图中两平行板电极固定不动，极距为d0，相对

18、介电常数为r2的电解质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积，导致电容量发生变化。传感器总电容量为 (4-32),3变介质型电容式传感器,式中：L0为极板的长度；b0为极板的宽度；L为第二种介质进入极板间的长度。 若电介质r1=1，当L=0时，传感器初始电容C0=0r1L0b0d0。当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 (4-33) 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。,图4-12,3变介质型电容式传感器,3变介质型电容式传感器,表41列出了几种常用的电介质材料的相对介电常数r。 表41电介质材料的相对介电常数 材料相对介电常数r 材料相对介电

19、常数r 真空1000 00硬橡胶43 其他气体112石英45 纸20玻璃5375 聚四氟乙烯21陶瓷5570 石油22盐6,3变介质型电容式传感器,聚乙烯23云母685 硅油27三氧化二铝85 米及谷类35乙醇2025 环氧树脂33乙二醇3540 石英玻璃35甲醇37 二氧化硅38丙三醇47 纤维素39水80 聚氯乙烯40钛酸钡100010 000,任务二 电容式传感器的测量转换电路,一、等效电路 图4-13电容式传感器的等效电路 电容式传感器的等效电路如图413所示。图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄露电阻和介质损耗，反映电容器在低频时的损耗。随着供电电源

20、频率增高，容抗减小，其影响也就减弱，电源频率高至几兆赫时，Rp可以忽略。RS代表串联损耗电阻，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗，这个电阻在低频时是极小的，随着频率的增高，由于电流的,1 等效电路,趋肤效应，RS的值增大。但是，即使在几兆赫兹下工作时，RS的值仍然是很小的。因此，只有在工作频率很高时，才加以考虑。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成，它与电容器的结构和引线的长度有关。 由等效电路可知，它有一谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容器的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率(通常为谐振频率的1312)时，电容式传感器才能正常

21、工作。,图4-13,1 等效电路,1 等效电路,为了计算方便，忽略Rp和RS，则电容式传感器的有效电容为 1jCe=jL+1jC (4-34) Ce=C1-2LC+2LCC(1-2LC)2=C(1-2LC)2 在这种情况下，电容的实际相对变化量为 (4-35) 式(4-35)表明，电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感(包括引线电感)有关。 因此,在实际应用时必须与标定时的条件相同(供电电源频率和连接电缆长度等)，否则将会引入测量误差。,二、调频电路,调频测量电路把电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生相应的变化，这样就实现了CF

22、的变化，故称调频电路。虽然可将频率,1 等效电路,作为测量系统的输出量，用于判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此，必须加入鉴频器，将频率的变换转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。,1 等效电路,调频式测量电路原理框图如图4-14所示。图中调频振荡器的振荡频率为 (4-36) 式中：L为振荡回路的电感；C为振荡回路的总电容，C一般由传感器的电容C0C和振荡回路中的固有电容C1及引线分布电容C2组成，即C=C1+C2+Cx。 当被测信号为0时，C=0,则C=C1+C2+C0，所以，振荡器有一个固有频率，即,图4-14,调频式测量电路原理框图,调频式

23、测量电路原理框图,当被测信号不为零时，C0，振荡器频率随C而改变，此时频率为 (4-37) 调频测量电路的特点：灵敏度高，可测量高至001m级位移变化量；抗干扰能力强；能获得高电平的直流信号或频率数字信号。缺点是振荡频率受电缆电容的影响大，可以通过直接将振荡器装在电容式传感器旁来克服连接电缆电容的影响；受温度影响大，给电路设计和传感器设计带来一定麻烦。,交流电桥电路,图4-15(g)所示的电桥为差动电容式传感器配用的紧耦合电桥电路。其结构是将电容式传感器接入交流电桥，作为电桥的一个臂或两个相邻臂，另两个桥臂是紧耦合电感臂，构成紧耦合电感臂电桥。此类电桥的特点是具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电

24、容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频工作。,图4-15,交流电桥电路,交流电桥电路,图4-15(h)所示的电桥为变压器式电桥。图中C1和C2是差动电容式传感器的两个电容，分别作为电桥的两个桥臂，电桥的另两个桥臂为变压器的两个次级线圈，这两个线圈应严格对称。 当负载足够大时，输出电压表达式为 (4-38) 式中Z1=1jC1,Z2=1jC2，则 （4-39),交流电桥电路,如果C1、C2为差动变极距型电容传感器，则 (4-40) 即单个变极距型电容式传感器的输出特性为非线性。经变压器电桥后，将式(4-40)代入式(4-39)，得 (4-41) 式(441)表明此变压器电桥电路的

25、输出电压与位移呈线性关系。 如果C1、C2为差动变面积型电容式传感器，则 (4-42),交流电桥电路,其输出特性均为线性。经变压器电桥后，将式(4-42)代入式(4-43)，得 也为线性输出。因此，变压器电桥对传感器无线性要求，即无论是线性电容传感器，还是非线性电容式传感器，采用变压器电桥电路后，在负载阻抗极大时，其输出特性均呈线性。此类电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,四、运算放大器电路,图4-16运算放大器式电路原理图 图4-16所示为运算放大器式电路原理图。图中Cx为电容式传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间；C为固定电容；i是交流电源电压；o是输出

26、信号电压；是虚地点。 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高，故输入电流=0，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。,图4-16,运算放大器电路,运算放大器,由运算放大器工作原理可得 (4-43) 而对于平板电容器Cx=Ad，代入式(4-43)，得 (4-44) 式中：“-”号表示输出电压o的相位与电源电压反相。,运算放大器,式(4-44)说明，运算放大器的输出电压o与极板间距成线性关系，这就从原理上解决了单个变间隙式电容传感器输出特性的非线性问题。这里是假设放大器增益K=，输入阻抗Zi=，因此，电容式传感器仍然存在一定的非线性误差，但在K和Zi足够大时，

27、这种误差相当小。,五、二极管双T形交流电桥,二极管双T形交流电桥又称为二极管双T形网络，它是利用电容器充放电原理组成的电路。图4-17(a)所示为二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波；VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管；C1、C2为传感器的两个差动电容；R1、R2为固定电阻，且R1=R2=R；RL为负载电阻。当传感器没有输入时，C1=C2。,五、二极管双T形交流电桥,该电路的工作原理：当电源e为正半周时，二极管VD1导通而VD2截止，其等效电路如图4-17(b)所示。此时电容C1很快充电至U，电源e经R1以电流I1向负载RL供电；与此同时，电容C2经R

28、2和RL放电，放电电流为I2(t)。流经RL的电流IL(t)是I1和I2(t)之和。在随后e负半周出现时，VD2导通而VD1截止，其等效电路如图417(c)所示。此时C2很快充电至电压U，而流经RL的电流IL(t)为由电源e供给的电流I2和C1的放电电流I1(t)之和。根据上面所给的条件,则流经RL的电流IL(t)和IL(t)的平均值大小相等，极性相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。图4-17二极管双,T 形交流电桥,(a)原理图；(b)、(c)等效电路 若传感器输入不为零,则C1C2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此，产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为 （4-4

29、5),T 形交流电桥,式中：f为电源频率。 当RL已知，式(4-45)中，有 R(R+2RL)(R+RL)2RL=M(常数) 则式(4-45)可改写为 （4-46) 由式(4-46)可知，输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。,图4-17,T 形交流电桥,综上所述，该电路的特点,1)电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，故输入电源要求稳定，需要采取稳压稳频措施。 2)输出电压较高，例如，当电源频率为13MHz，电源电压U=46V时，电容从-7pF+7pF变化，可以在1M负载上得到-5V5V的直流

30、输出电压。 3)电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，其电阻值为1k100k。 4)工作电平很高，使二极管VD1、VD2工作在特性曲线的线性区域时，测量的非线性误差很小。 5)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1k的负载电阻上升时间为20s左右，故可用来测量高速的机械运动。,六、脉冲宽度调制电路,脉冲宽度调制电路如图4-18所示。图中，C1和C2为传感器的两个差动电容，A1、A2为电压比较器；电阻R1=R2；VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管；Ur为参考直流电压。,脉冲宽度调制电路图,4-18,调制电路工作原理,当接通电源后，如触发器Q端(A点)为高电平，

31、Q端(B点)为低电平，则触发器通过R1向C1充电，时间常数为1=R1C1，直至F点电位UF上升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，此时Q端变成低电平，Q端变成高电平。翻转后，电容C1通过二极管迅速放电至零，而触发器由Q端经R2向C2充电，时间常数为2=R2C2，直至G点电位UG充至Ur时，比较器A2产生脉冲，使双稳态触发器再一次翻转，Q端变成高电平，Q端变成低电平，周而复始，循环上述过程，则在A、B两点分别输出宽度受C1、C2调制的矩形脉冲。,调制电路工作原理,当C1=C2时，各点的电压波形如图4-19(a)所示，Q端和Q端两端的电平脉冲宽度相等，输出电压UAB为等宽

32、矩形波，其平均值为零；当C1C2时，C1、C2充电时间常数发生改变，若C1C2,则各点电压波形如图4-19(b)所示，这时在A、B点各自产生一宽度受C1、C2调制的矩形脉冲，即 (4-47),调制电路工作原理,图4-19脉冲宽度调制电路电压波形 Q端点间的平均电压(经低通滤波器后)为 (4-48) 式中：UA，UB为A，B点矩形脉冲的直流分量；T1，T2为C1，C2的充电时间；U1为触发器输出的高电位。,图4-19,调制电路工作原理,调制电路工作原理,由电路知识可知 T1=R1C1lnU1U1-Ur,T2=R2C2lnU1U1-Ur 将T1、T2代入式(4-48)，得 (4-49) 式(449

33、)表明，输出直流电压与传感器两电容差值成正比。 对于变极距型电容式传感器，有 C1=Ad0-d,C2=Ad0+d 则 (4-50),3消除和减小泄露电容,泄漏电容主要由两部分组成：电容器的极板与其周围导体构成的寄生电容以及引线电容(电缆电容)。电容式传感器的电容量及其工作时的电容变化量都很小，往往小于泄漏电容，且这些泄露电容与传感器电容并联，严重影响传感器的输出特性，不仅降低了传感器的灵敏度，而且它的变化随条件而变，很不稳定，从而会引起较大的测量误差，必须消除或减小它。,(1)增加原始电容值，可减小泄漏电容的影响,采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为02mm05mm，圆筒式间距为 图4-2

34、2圆筒形电容式传感器的 接地屏蔽示意图015mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容式传感器的电容值变化C=10-3pF103pF，相对变化CC=10-61。,屏蔽和接地时必须注意避免电极移动时，高电位极板与屏蔽间电容的变化，以防止造成虚假的输出信号。图4-22画出了圆筒形电容式传感器的接地屏蔽方式。可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动，并与传感器的屏蔽壳同为地。因此当可动极筒移动时，它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号，同时也解决了可动电极的绝缘处理问题。,(2)采用接地屏蔽措施,图4-22,

35、圆筒形电容式传感器的接地屏蔽方式,(3)采用组合式与集成技术，缩短传感器与测量电路之间的距离。,这里可以采用三种方法：第一种方法是将测量电路的前置放大级或测量电路全部装在靠近传感器处，以缩短传感器到测量电路之间的电缆长度；第二种方法是采用超小型大规模集成电路，把全部测量电路组合在传感器壳体内；第三种方法是利用集成工艺，将传感器与测量电路集成在同一块芯片上，构成集成式电容传感器。,。,(4)驱动电缆技术,当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，为解决电缆寄生电容的影响，可采用“驱动电缆技术”。驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法，又称双层屏蔽等电位传

36、输技术，其原理电路如图4-23所示。这种方法是将传输电缆的芯线与内层屏蔽线等电位，消除了芯线与内层屏蔽的容性漏电，从而消除了电缆电容的影响。此时屏蔽层的等电位是由驱动放大器供给的，这样其内、外层屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此，要求驱动放大器是一个输入电容为零、输入阻抗很高、相移为零、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器,图4-23,原理电路,对于变面积型电容式传感器,C1=(A+A) d,C2=(A-A) d 则 (4-51) 综上所述，该电路的特点如下： 1)输出电压与被测位移(或面积变化)成线性关系，因此对电容传感器无线性要求。 2)不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可

37、以得到较大的直流输出电压. 3)电源频率大小对输出电压无影响。,七、环形二极管充放电法,用环形二极管充放电法测量电容的基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。图4-20所示为环形二极管充放电法的电路原理图，图中Cx为被测电容，A为直流电流表，C为滤波电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，输入方波加在电桥的A点和地之间。在设计时，要求方波脉冲宽度足以使电容器Cx和Cd充、放电过程在方波平顶部分结束。,图4-20,电路原理图,测量电路工作原理,图4-20环形二极管电容测量电路原理图 1)当输入的方波由E

38、1跃变到E2时，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx充电的电流如图420中i1所示的方向，对Cd充电的电流如i3所示方向。在充电这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1=Cd(E2-E1)。 2)当输入的方波由E2返回到E1时，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，Cx、Cd放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流所经过的路径分别为i2、i4所示的方向。在放电这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx(E2-E1)。,测量电路工作原理,设方波的频率F=1/T0(每秒要发生的充放电过程的次数)，则由C点流向A点的平均电流为I2

39、=Cxf(E2-E1)，而从A点流向C点的平均电流为I3=Cdf(E2-E1)，流过此支路的瞬时电流的平均值为 (4-52) 式中：E为方波的幅值，E=E2-E1。 令Cx的初始值为C0，Cx为Cx的增量，则Cx=C0+Cx,调节Cd=C0，则 (4-53) 由式(453)可以看出，I正比于Cx。,任务三 测量误差及改进措施,前面对各类传感器结构和原理的分析以及各种测量电路的讨论，都是在理想条件下进行的，没有考虑温度、电场边缘效应、寄生与分布电容等因素对电容式传感器的影响。实际上，由于这些因素的存在，使电容式传感器特性不稳定，严重影响电容式传感器的精度，因此，在设计和应用电容式传感器时必须予以

40、考虑，设法采取改进措施。,1减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能,环境温度的变化，将引起电容式传感器内各零件几何尺寸和相互间几何位置及某些介质的介电常数发生变化，从而改变传感器的电容量，产生温度附加误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此，必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。,电容式传感器的金属电极,电容式传感器的金属电极材料以选用温度系数低而稳定的铁镍合金为好，但难加工。另外，极板也可直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属薄膜来代替，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。传感器内电极表面不便经常清洗，应

41、加以密封，用于防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防热、防湿、防腐蚀，并且在高温下可以减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。,电容式传感器的金属电极,电容式传感器的容抗都很高，特别是当电源激励频率较低时。当两极板间总的漏电阻与此容抗相近时，必须考虑分路作用对系统灵敏度的影响，所以传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外，还要有稳定的性能。因此，电极支架一般选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并且具有高的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料，例如云母、石英、人造宝石及各种陶瓷等。虽然这些材料难加工但性能远高于塑料和有机玻璃等材料。在温度不太

42、高的环境下，可以考虑选用聚四氟乙烯材料作支架，其绝缘性能较好。,温度影响,温度对介电常数的影响随介质不同而异。电容式传感器的电介质应尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质(也不受湿度变化的影响)。若用某些液体如硅油、蓖麻油、煤油等作为电介质，其介电常数的温度系数较大，当环境温度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。例如，煤油的介电常数的温度系数可达007；若环境温度变化,温度影响,50，则将带来7的温度误差。虽然这种温度误差可以用后接电子线路加以补偿(如采用与测量电桥相并联的补偿电桥)，但不易完全消除。 在可能的情况下，电容式传感器尽量采用差动对称结构，这样可通过某些测量线

43、路(如电桥)来减小温度等误差。 传感器的电源频率选用50kHz至几兆赫，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。,温度影响,另外，由于电容式传感器的灵敏度与极板间距离成反比，因此，为了提高传感器的灵敏度，初始距离都尽量取得小些，这不仅使加工工艺的难度增加、变换器作用的动态范围减小，也增加了对支架等绝缘材料的要求，这时甚至要注意极间出现的电压击穿现象。,2消除和减小边缘效应,理想情况下，平板电容器两极板间的电场是均匀分布的。实际上，当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应就不可能忽略了。这时，对极板半径为r的变极距型电容式传感器，其电容值为 (4-54) 式中：函数fhd为边缘效应因子。,消除和

44、减小边缘效应,表4-2列出了边缘效应因子部分数值。 表4-2电容式传感器的边缘效应因子 Hd0020040060080100200406081012 f(H/d)00980168023002850335054084106124139159 边缘效应不仅使电容式传感器灵敏度降低，而且产生非线性，并带来测量误差，因此应尽量减小并消除它。为了消除边缘效应的影响，可以采取下面的一些措施。,消除和减小边缘效应,1)增大初始电容C0，即增大极板面积，减小极板间距，使极径与间距比很大，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 2)电极做得极薄，使与极间距相比很小，这样可减小边缘电场的影响。 3)在结构上增设等位环

45、来消除边缘效应，如图4-21所示。这里除1、2两极板外，又在极板2的同一平面内加一个等位环3。要求等位环3与原定极板2同心，电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位。这样能使电极2的边缘电力线平直，保证电容极板2与1之间的电场处处是均匀的，而发散的边缘电场发生在等位环3的外沿，从而克服边缘效应的影响。,图4-21,消除和减小边缘效应,图4-21带有等位环的平板电容式传感器原理图 1、2电极；3等位环；4绝缘层；5套筒；6芯线；7、8内外屏蔽层,3消除和减小泄露电容,泄漏电容主要由两部分组成：电容器的极板与其周围导体构成的寄生电容以及引线电容(电缆电容)。电容式传感器的电容量及其工作时的电容

46、变化量都很小，往往小于泄漏电容，且这些泄露电容与传感器电容并联，严重影响传感器的输出特性，不仅降低了传感器的灵敏度，而且它的变化随条件而变，很不稳定，从而会引起较大的测量误差，必须消除或减小它。,(1)增加原始电容值，可减小泄漏电容的影响,采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为02mm05mm，圆筒式间距为 图4-22圆筒形电容式传感器的 接地屏蔽示意图015mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容式传感器的电容值变化C=10-3pF103pF，相对变化CC=10-61。,图4-22,消除和减小泄露电容,(2)采用接地

47、屏蔽措施，克服不稳定的寄生电容的影响,屏蔽和接地时必须注意避免电极移动时，高电位极板与屏蔽间电容的变化，以防止造成虚假的输出信号。 图4-22画出了圆筒形电容式传感器的接地屏蔽方式。可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动，并与传感器的屏蔽壳同为地。因此当可动极筒移动时，它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号，同时也解决了可动电极的绝缘处理问题。,(3)采用组合式与集成技术，缩短传感器与测量电路之间的距离。,这里可以采用三种方法：第一种方法是将测量电路的前置放大级或测量电路全部装在靠近传感器处，以缩短传感器到测量电路之间的电缆长度；第二种方法是采用超小型大规模集成电路，把全

48、部测量电路组合在传感器壳体内；第三种方法是利用集成工艺，将传感器与测量电路集成在同一块芯片上，构成集成式电容传感器。,(4)驱动电缆技术,当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，为解决电缆寄生电容的影响，可采用“驱动电缆技术”。驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法，又称双层屏蔽等电位传输技术，其原理电路如图4-23所示。这种方法是将传输电缆的芯线与内层屏蔽线等电位，消除了芯线与内层屏蔽的容性漏电，从而消除了电缆电容的影响。此时屏蔽层的等电位是由驱动放大器供给的，这样其内、外层屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此，要求驱动放大器是一个输入电

49、容为零、输入阻抗很高、相移为零、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。,(5)运算放大器法,这种方法是利用运算放大器的虚地来减少引线电缆寄生电容的影响。工作原理如图4-24所示。电容式传感器的一个电极经引线电缆芯线接运算放大器的虚地，电缆的屏蔽层接传感器地，这时与传感器电容相并联的寄生电容仅为等效电容的11+A，因此，大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接传感器地而对芯线不起作用。传感器的另一电极经传感器外壳(最外面的屏蔽层)接大地，以防止外电场的干扰。尽管仍存在分布电容的影响，但只要运算放大器的A足够大，就可得到所需要的测量精度。 图4-23驱动电缆法原理图 图4-24运算放大器法电

50、路原理图,图4-23,电路原理图,图4-24,电路原理图,(6)整体屏蔽法,整体屏蔽法是将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆以及供桥电源等整体用同一个屏蔽壳屏蔽起来。这种方法的关键在于正确选取接地点，以消除寄生电容的影响和防止外界的干扰。 图4-25(a)所示为采用差动电容式传感器、紧耦合变压器供以电源并作为桥臂、双屏蔽电缆作引线的整体屏蔽，其外屏蔽层接地，内屏蔽层接变压器副边中间抽头，使芯线与内屏蔽层间的电容和内外屏蔽层间电容串联，大大减小了电缆电容的影响。,整体屏蔽法,图4-25(b)所示为整体屏蔽法的另一个例子，接地点选在测量电桥两电阻桥臂中间，使公用接地与屏蔽之间的寄生电容C1并

51、在放大器的输入端，只影响放大器的输入阻抗不影响其灵敏度，另外两个寄生电容C3和C4在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但它们并不妨碍电桥的正常工作。因此寄生电容对传感器的影响基本上得到了排除。但这种屏蔽方法结构比较复杂。 图4-25整体屏蔽法,图4-25,整体屏蔽法,4防止和减小外界干扰,电容式传感器的电容量很小，一般为几十至几百皮法，因此，电容式传感器的输出阻抗很高，容易受到外界干扰的影响。当外界(如电磁场)干扰在传感器和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差，甚至使传感器无法正常工作。另外，不同接地点所产生的接地电压差也是一种干扰信号，同样会引起误差和故障。,防

52、止和减小外界干扰,为改善抗干扰性能，常采取如下措施。 1)屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘(屏蔽电缆)，金属网可靠接地；传感器与测量电路前置级一起装在较好的屏蔽壳内并可靠接地等。 2)增加原始电容值如采用多层电极结构来增大电极板面积等；以降低容抗，减小被干扰电容淹没的危险。,防止和减小外界干扰,3)减小导线间的分布电容的静电感应，因此导线与导线之间要远离，距离尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽电缆线。 4)减少接地点，尽可能一点接地，地线要用较粗的良导体或宽印制线。 5)尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提

53、高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。,任务四 电容式传感器的应用,1电容料位指示仪 电容料位指示仪是根据介质料位变化对电容介电常数的影响这一原理制成的。利用电容料位指示仪可以对密封仓内导电性不良的松散物质的料位进行检测，并能进行自动控制。在料仓的上、下限各设一个电容传感器探头，以便监视料位处于“料位上限”之上，还是处于“料位下限”之下，或者在“料位上限”和“料位下限”之间，分别用颜色不同的指示灯显示。,电容料位指示仪,电容料位指示仪的测量电路如图4-26所示。整个电路可分为两个部分：信号转换电路和控制电路。信号转换电路是通过阻抗平衡电桥实现的。Cx是探头对地的分布电容，它直接与料面接触，

54、当C2C4=CxC3时，电桥平衡。随着料位的上升或下降，Cx随之发生变化，使C2C4CxC3，电桥失去平衡。,图4-26,测量电路,测量电路,图4-26电容料位指示仪测量电路 电桥的输入电压由BG1和LC回路组成的振荡器供电。电桥平衡时，无输出信号。当料面变化引起Cx变化，导致电桥不平衡，则电桥输出交流信号。该信号经BG2放大后，经VD1检波输出。 控制电路由BG3、BC4组成的施密特触发器和继电器组成。由信号转换电路送来的直流信号，当幅值达到一定值后，施密特触发器翻转，此时BC4由截止状态转为饱和状态，继电器闭合。由其触点控制相应的电路和指示灯，从而指示料位的高低。,2电容式接近开关,电容式

55、接近开关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。电容式接近开关具有无抖动、无触点、非接触检测等优点，其抗干扰能力、耐蚀性能等比较好。它主要由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。其中定板为装在传感器主体上的金属板，动板为被测物体上的相对应位置上的金属板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时(接近的距离范围可 通过理论计算或实验取得)，由于两者之间的距离发生了变化，即电容式传感器两极板间的极距发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。,接近开关,此外，开关的作用表面可与大地之间构成一个电容器，参与振荡回路的工作。当被测物体接近开关的作用表面时，回路的电容量将发生变化，这种变

56、化使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。振荡器的振荡及停振信号由电路转换成开关信号送至后续开关电路中，从而使传感器按预先设置条件发出信号，控制检测机电设备，使其正常工作。,接近开关,电容式接近开关主要用于定位及开关报警控制等场合，尤其适用于自动化生产线和检测线的自动限位、定位等控制系统，以及一些对人体安全影响较大的机械设备(如切纸机、压模机、锻压机等)的行程和保护控制系统。图4-27所示为人体电容接近开关的电路图。C1与L1构成并联谐振电路，L2和VT形成共基接法，C4是反馈电容，C5是耦合电容，R3与C3形成去耦电路。R1和R2是偏置电阻，它们与C2形成选频网络。电位器用于调节接近距离。VD1与

57、VD2构成检波电路。C6是检波电容，C0是人体与金属棒形成的电容。若人体接近金属棒，C0变大，与C4并联后使反馈电容增加，从而使振荡减弱，经VD1，VD2检波后，输出的电压为低电平。否则，振荡器正常振荡，输出高电平。,图4-27,人体接近电容式传感器电路图,3电容式测厚仪,电容式测厚仪主要用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，其工作原理如图4-28所示。在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样极板与带材就形成了两个电容器(带材也作为一个极板)。把这两块极板用导线连接起来作为传感器的一个电极板， 图4-28电容式测厚仪工作原理示意图 1金属带材；2电容极板；3传动轮

58、；4轧辊 而金属带材就是电容式传感器的另一个极板。其总的电容量C应是两极板间电容之和，即C=C1+C2。带材的厚度发生变化时，将引起它与上下两个极板间距变化，从而引起电容量的变化，用交流电桥将这一变化电容检测出来，再经过放大，即可由显示仪器把带材的厚度变化显示出来。,图4-28,原理示意图,分析,目前，用于这种厚度检测的电容式厚度传感器的框图，如图4-29所示。图中的多谐振荡器输出电压E1、E2通过R1、R2(R1=R2)交替对电容器C1、C2充放电，从而使弛张振荡器的输出交替触发双稳态电路。当C1=C2时，Uo=0；当C1C2，双稳态电路Q端输出脉冲信号，此脉冲信号经对称脉冲检测电路处理后变成电压输出，用数字电压表示。 输出电压大小为 式中Ec电源电压。,图4-29,电容式厚度传感器方框图,4电容式湿度传感器,湿度发生变化时，电容值随之改变的传感器称为电容式湿度传感器。电容式湿度传感器主要用来测量环境的相对湿度。湿度传感器的构造基本上都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜，空气中的水蒸气吸附在感湿材料上时，湿度传感器的阻抗、介电常数等发生变化而输出电信号。,分析,如图4-30所示为采用湿敏电容的湿度测量电路。施密特触发器F1构成振荡器，振荡频率主要由