第五章 电容式传感器.ppt

1、1,传感器原理与应用,第5章 电容式传感器,2,第5章 电容式传感器,电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。 电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。,3,第5章 电容式传感器,电容式传感器的优点：功率小、阻抗高；静电引力小、动态特性良好；和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；可进行非接触测量；结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作。 电容式传感器的缺点：输出具有非线性；寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。,4,第5章 电容式传感器,5

2、.1 电容式传感器的工作原理和结构 5.2 电容式传感器的主要特性 5.3 电容式传感器的信号调节电路 5.4 影响精度的因素及提高的措施 5.5 应用举例,5,5.1 电容式传感器的工作原理和结构,1.工作原理 如图所示，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为：,式中 e电容极板间介质的介电常数，e=e0er，其中e0为真空介电常数，er为极板间介质相对介电常数； A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。,6,5.1 电容式传感器的工作原理和结构,由式（5.1）可知，当d、A和er中任一个或某几个参数有变化时，就改变了电容C。因此电容式传感

3、器分为三种类型： 变极距型：极板相对覆盖面积A和相对介电常数er不变，改变极距d。可用于测量小位移。 变面积型：极距d及相对介电常数er不变，改变极板相对覆盖面积A（改变覆盖长度或宽度）。可用于测量较大线位移或角位移。 变介电常数：极距d和极板相对覆盖面积A不变，改变相对介电常数er。常用于测量液位、材料的浊度或成分等的变化。,7,5.1 电容式传感器的工作原理和结构,2.结构形式 如图所示，给出了一些常见电容式传感器的原理结构形式。其中图(a)、(b)为变极距型；图(c)、(d)、(e)和(f)为变面积型；图(g)和(h)为变介电常数型。图(a)、(b)、(c)、(e)和(f)是线位移传感器

4、；图(d)是角位移传感器；图(b)和(f)是差动式电容传感器。,8,5.2 电容式传感器的主要特性,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性 5.2.2 等效电路,9,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,1.变极距型 由式（5.1）知，电容C与极距d呈反比，如图所示。显然这种传感器的特性为非线性。为使传感器能近似在线性下工作，必须限制动极板在一个较小的范围内变化，使DC与Dd的关系近似为线性。,10,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,当传感器的e和A为常数，初始极距为d时，其初始电容C为,若电容器极板间距离由初始值d减小Dd，则电容量增大DC，有,11,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,

5、将式（5.2）展开为级数,当d/d1时，略去非线性项后，有近似关系,灵敏度为,相对非线性误差为,12,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,由以上各式可得出以下结论： 欲提高灵敏度S，应减小起始极距d；但受电容器击穿电压的限制，而且增加装配工作的困难； 非线性将随相对位移(即Dd/d)增加而增加，因此为了保证一定线性度，应限制动极板的相对位移量； 为改善非线性，可采用差动结构。,13,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,当一个电容增加时，另一个电容则减小，它们的其 特性方程分别为： 对于差动结构，连接时让两电容并联，总输出为,14,差动式结构中，略去高次项后，,5.2.1 特性曲线、灵敏度、

6、非线性,传感器（差动式）灵敏度,相对非线性误差为,结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 非线性误差减小,15,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,实际应用中，为避免电容器击穿，可在极板间放置云母片，如图所示。此时电容C变为,16,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,式中 e2云母的相对介电常数； e0真空的介电常数，空气e11; d2云母片厚度； d1空气隙厚度。 云母的介电常数为空气的7倍，云母的击穿电压不小于103kV/mm，而空气的击穿电压仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间的起始距离可大大减小。 那板间加入云母固体介质后，灵敏度与非线性误差会发生什么变化？,17,5

7、.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,如果空气气隙d1减小d1 ，电容将增大C，则 电容变为： 电容相对变化为：,18,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,将(5.13)展开后，略去高次项，则电容相对变化 为： 则灵敏度为： 相对非线性误差为：,19,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,N1既与灵敏度有关，又与非线性误差有关，所以 其为灵敏度因子，又为非线性误差因子。 N1与d2/d1及2有关，当d2/d1固定时，N1与2成正 比；当2固定时，N1与d2/d1成正比。,20,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,例5.1 一变极距型平板电容传感器，d0=1mm，若要求测量线性度为0.1%。求

8、：允许极距测量最大变化量是多少？(板间不加固体介质),21,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,2.变面积型电容式传感器 （1）平板电容器 如图所示。 电容器电容为,式中，b为极板宽度， x为极板重叠部分长度,22,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,当动极板移动x后两极板间电容量为：,其灵敏度为,结论： 变面积式电容传感器灵敏度为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。,23,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,（2）圆柱型电容器 平板型电容传感器的缺点是，可动极板稍有极距方向的移动时，将影响测量精度。因此，变面积型电容传感器常做成圆柱形，如图所示。圆柱型电容器的电容量为,式中，l为

9、外圆筒与内圆柱覆盖部分长度； r2/r1为外圆筒内半径和内圆柱半径。,24,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,对于图示的单边圆柱型位移式电容传感器，当动极板2（内圆柱）有Dl的位移时，电容变化量为,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与变极距型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。,25,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,3、变介电常数型 变介电常数型电容传感器如图所示。这种传感器大多用来测量电介质的厚度(a) 、位移(b)及液位(c) 。还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度、容量的改变而改变来测量温度、湿度、容量等，如图(d)所示

10、。,26,图4.5,27,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,图(a) 和 (b)的输出输入关系分别为,28,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,图(c) 和 (d)的输出输入关系分别为,29,例5.2 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。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传感器的灵敏度,解：,5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性,30,5.2.2 等效电路,电容式传感器的等效电路如图(a)所示，图中C是传感器电容；RP是并联电阻，它包括了电极间漏电阻和气隙中介质损耗的等效电阻；L表示各连线端间总电感；RS由引线电阻，极板电

11、阻和支架电阻组成。,31,5.2.2 等效电路,在大多数情况下，使用环境温度不很高、湿度不很大，供电电源频率较合适，设计合理，可用一个纯电容来代表。当供电电源频率较低或在高湿度环境条件下使用时，由于容抗大，RS和L可以忽略，但RP不能忽略，这时传感器可等效成图(b)所示的电路。,32,5.2.2 等效电路,随着供电电源频率增高，传感器容抗减小，可忽略RP ，但电流趋肤效应使导体电阻增加，必须考虑传输线（一般为电缆）的电感L和电阻RS，这时等效电路如图(c)所示。该等效电路的谐振频率通常为几十MHz，供电电源频率必须低于谐振频率，一般为谐振频率的1/31/2，传感器才能工作。,33,5.2.2

12、等效电路,设传感器等效电容为Ce（即A、B两端之间的电容），由图( c )可得,由于C一般很小，而RS一般也很小，可忽略，所以,电容的实际相对变化量为：,34,5.2.2 等效电路,此时变极距电容传感器的等效灵敏度为,式中，Sg=DC/Dd为传感器原来的灵敏度。 由上式可知，传感器灵敏度与传感器固有电感（包括电缆电感）有关；Se随w而变。因此，改变传感器供电电源频率或更换传感器到转换电路的电缆后，必须对传感器重新进行标定。,35,5.3 电容式传感器的信号调节电路,电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，也不便于传输

13、。必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。,36,5.3 电容式传感器的信号调节电路,5.3.1 运算放大器式电路 5.3.2 变压桥电路 5.3.3 调频测量电路 5.3.4 双极管T型网络 5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,37,5.3.1 运算放大器式电路,这种电路的最大特点是能够克服单边变极距型电容传感器的非线性，使输出电压与输入动极板位移成线性关系。图示为这种测量电路的原理图。,图中，U为信号源电压；USC为输出电压；C0为固定电容器的电容；Cx为传感器的电容；K为放大

14、器开环放大倍数。,38,5.3.1 运算放大器式电路,按理想运算放大器考虑，则有,将Cx=eA/d代入，得,由于实际运算放大器的放大倍数和输入阻抗值有限，所以该测量电路仍存在一定的非线性误差。,39,5.3.2 变压桥电路,如图所示变压器式电桥线路的原理图,40,5.3.2 变压桥电路,Zf为放大器的输入阻抗， Zf上的电压即为电桥输 出电压： 平衡条件为：,变压器式电桥等效电路,41,假设C1，C2是差动电容，初始平衡时，有 ， ，当极板偏离中间位置时，有 ， 则输出电压为： 当C1=C2=C时，,5.3.2 变压桥电路,-,42,的相移为： 当 时， ，此时输出电压为： 对平行板电容，有：

15、,5.3.2 变压桥电路,43,调频测量电路把电容式传感器作为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, 振荡器的振荡频率就发生变化。 虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。,5.3.3 调频测量电路,44,图中调频振荡器的振荡频率为,式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。,5.3.3 调频测量电路,45,当被测

16、信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, 当被测信号不为0时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为,5.3.3 调频测量电路,46,调频测量电路特点： 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01m级位移变化量，且抗干扰能力强。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控。,5.3.3 调频测量电路,47,下图所示是二极管T型交流电桥电路原理图。 e是高频电源, 它提供幅值为Ui 的对称方波, VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管, R1 = R2 = R, C1、C2为传感器的两个

17、差动电容。,5.3.4 双极管T型网络,48,电路工作原理如下: 当e为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止, 于是电容C1充电; 在随后负半周出现时, 电容C1上的电荷通过电阻R1, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I1 。在负半周内, VD2导通、VD1截止, 则电容C2充电; 在随后出现正半周时, C2通过电阻R2, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I2 。,5.3.4 双极管T型网络,49,当C1 = C2 时,负半周 与正半周是完全对称 的过程， 故在一个周 期内负载上的平均电 流为零。,5.3.4 双极管T型网络,50,若C1C2, 则正负半周期内流经RL上的电流值不相

18、等, 此时RL上必定有信号输出, 其输出电路在一个周期内的平均值为,(5.30),5.3.4 双极管T型网络,+,51,选择适当的元器件参数和频率，使k15,k25，则(5.30)中的指数项所占比例不足1%，忽略后平均电流为： 输出平均电压为： 输出电压Uout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。,5.3.4 双极管T型网络,52,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,差动脉冲宽度调制电路，是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的电容量变化而变化。其电路原理如图所示。,53,图中C1、C2为差动式电容传感器（若用单边式，则其中一个为固定电

19、容，其电容值与传感器电容初值相等 ）；电阻R1=R2；A1、A2为比较器。当双稳态触发器处于某一状态，Q=1, A点高电位，通过R1对C1充电，时间常数为t1=R1C1，直至F点电位高于参比电位Ur，比较器A1输出正跳变信号。Q=1期间，电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0，于是A点为低电位，C1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对C2充电，时间常数为t2=R2C2，直至G点电位高于参比电位Ur。,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,54,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,当C1=C2时，各点电压波形如图所示，输出电压UAB的平均值为零。,

20、55,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,但当C1、C2不相等时， 充电时间常数发生改变， 若C1C2，则对应各点电 压波形如图所示。输出电 压UAB的平均值不为零。,56,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,此时UAB经低通滤波后，所得直流电压,式中，UA、UB分别为A、B两点矩形脉冲的直流分量；T1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电平。,57,由于,取R1=R2=R，得,把平行极板电容的公式代入，在变极距的情况下可得,式中d1、d2分别为C1、C2极板间距离。,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,58,若C1、C2组成差动变极距式电容传感器，当差动电容C1=C2=C0，即d

21、1=d2=d0时，UAB=0；若C1C2，设C1C2，即d1=d0-Dd，d2= d0+Dd，则,同样，在差动变面积电容传感器中，有,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,59,由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 且转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直流输出, 且调宽频率的变化对输出没有影响。,5.3.5 差动脉冲宽度调制电路,60,5.4 影响精度的因素及提高的措施,5.4.1 温度的影响 5.4.2 边缘效应的影响 5.4.3 漏电阻的影响 5.4.4 寄生电容的影响 5.4.5 防止和减小外界干扰,61,5.4.1 温度的影响,

22、温度对电容式传感器的影响如下： 改变传感器各零件的几何尺寸和相互间的几何 位置。 影响介质的介电常数。 二者都将引起传感器电容值的变化而造成温度附 加误差。消除前者误差的办法是尽量选取温度系数小 和温度系数稳定的材料。如电极材料选用铁镍合金， 支架选用陶瓷等。而消除后者温度误差则要通过测量 电路进行补偿。,62,5.4.2 边缘效应的影响,电容器的边缘效应是指，电容极板边缘处电场分布不均匀，使得电容量不等于理论值。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此，应尽量消除或减小它。 适当减小极间距，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并限制测量范围。将电极板做得极薄，使之与极间距相比很

23、小，也可减小边缘效应的影响。,63,63,5.4.2 边缘效应的影响,还可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图所示。图(a)为带有等位环的电容式传感器原理图，图(b)为其实例。图中2为传感器内电极(圆形)，1为另一电极(可在传感器内也可是被测物)。等位环3安放在电极2外，且与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电力线平直，两电极间电场基本均匀，而边缘电场发生在等位环3的外周不影响传感器工作。,边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用。,64,64,图5.13,65,65,5.4.3 漏电阻的影响,电容式传感器的电容量一般都很小，几个pF几

24、百pF。如果电源频率较低，则电容式传感器本身的容抗就可达几MW几百MW。在一般电器设备中绝缘电阻有几MW就足够了，但对于电容式传感器来说却不能看作是绝缘，一般绝缘电阻将被看作是对电容式传感器的一个旁路，称为漏电阻。 漏电阻将与传感电容构成一复阻抗而加入测量线路影响输出。更严重的是当绝缘材料性能不好时，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使电容式传感器的输出产生缓慢的零位漂移。所以绝缘材料应选用玻璃、石英、陶瓷、尼龙等，而不能用夹布胶木等一般电绝缘材料。,66,66,5.4.4 寄生电容的影响,在任何两个导体之间均可构成电容联系，因此电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪

25、器中各种元件甚至人体）之间产生电容联系。这种附加的电容，称为寄生电容。 寄生电容使电容传感器的电容量改变并且引起传感器的特性不稳定。,67,67,5.4.4 寄生电容的影响,为消除和减小寄生电容可采用如下方法: 1.缩短传感器至测量线路前置级的距离 将集成化电路、超小型电容器应用于测量电路， 可使部分部件与传感器做成一体，这样既减小了寄生 电容值，又可使寄生电容值固定不变。,68,68,5.4.4 寄生电容的影响,2.驱动电缆法 电容传感器的输出引线采用双层屏蔽电缆，电缆引线将电容极板上的电压输入至测量线路的同时，再输入至一个放大倍数严格为1的放大器，因而放大器的输出端得到一个与输入完全相同的

26、输出电压，然后将其加到内屏蔽上。由于内屏蔽与引线之间等电位，因而消除了引线与内屏蔽之间的电容联系。而外层屏蔽接地后，内、外屏蔽之间的电容将成为放大器的负载，不再与传感器电容相并联。这样，无论电缆形状和位置如何变化都不会对传感器的工作产生影响。,69,69,图5.14,70,70,5.4.4 寄生电容的影响,3.整体屏蔽法 所谓整体屏蔽法是整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用同一个屏蔽壳保护起来，正确选择接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。如图所示，是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统。,71,71,5.4.5 防止和减小外界干扰,屏蔽和接地：用良导体做传感器壳体，将传感元

27、件包围起来，并可靠接地；用金属网把导线套起来，金属网可靠接地；双层屏蔽线可靠接地；传感器与电子线路前置级一起装在良好屏蔽壳体内，壳体可靠接地等等。 增加原始电容值，降低容抗。 导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成垂直排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽线。,72,72,尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体和宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。,5.4.5 防止和减小外界干扰,73,电容式传感器的信号调节电路,运算放大器式电路 变压桥电路 调频测量电路 双极管T型网络 差动脉冲宽度调

28、制电路,74,影响精度的因素及提高的措施,温度的影响 边缘效应的影响 漏电阻的影响 寄生电容的影响 防止和减小外界干扰,75,75,5.6 应用举例,5.6.1 电容式位移传感器 5.6.2 电容式差压传感器 5.6.3 电容式加速度传感器 5.6.4 差动式电容测厚传感器 5.6.5 电容式料位传感器,76,76,5.6.1 电容式位移传感器,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，还可用来测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆。它们的应用如图所示。,77,77,5.6.2 电容式差压传感器,如图所示。这种传感器结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小差压(00.75Pa)。它由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25mm，其上各镀以金属作为电容式传感器的两个固定电极，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极。当两边压力P1=P2，膜片处在中间位置，Cab=Cdb。当P1P2时，膜片向压力小的一侧弯曲，CabCdb。这种差压传感器不仅用来测量P1与P2的