傳感器第6章++電容式傳感器

1、第6章 電容式傳感器 6.1 6.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式 6.2 6.2 傳感器的等效電路傳感器的等效電路 6.3 6.3 傳感器的信號調(diào)理電路傳感器的信號調(diào)理電路 6.4 6.4 影響傳感器精度的因素影響傳感器精度的因素 6.5 6.5 傳感器應(yīng)用傳感器應(yīng)用 u工作原理：工作原理：利用電容器的原理，將被測非電量轉(zhuǎn)化為電容量利用電容器的原理，將被測非電量轉(zhuǎn)化為電容量 的變化。的變化。 u優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、頻響范圍寬、可非接結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、頻響范圍寬、可非接 觸測量。觸測量。 u缺點：缺點：電容量小，輸出阻抗高；存在

2、寄生電容，導(dǎo)致性能不電容量小，輸出阻抗高；存在寄生電容，導(dǎo)致性能不 穩(wěn)定；有的傳感器輸出特性為非線性。穩(wěn)定；有的傳感器輸出特性為非線性。 u應(yīng)用：應(yīng)用：位移、振動、加速度、壓力、液位、濕度等。位移、振動、加速度、壓力、液位、濕度等。 6.1 6.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式 相對節(jié)點常數(shù) 介質(zhì)、真空中介電常數(shù)、 極板間距 極板相對覆蓋面積 當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時 0 0 r r d A d A d A C 電容式傳感器的電容極板之間存在靜電場。由于極板邊緣效應(yīng)的 存在，使邊緣處的電場分布不均勻，造成電容的邊緣效應(yīng)，這相 當(dāng)于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個附加電容，

3、邊緣效應(yīng)不僅使電 容式傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量減小并消 除電容邊緣效應(yīng)的影響。 根據(jù)電容器變化參數(shù)的不同，分為3種類型： 變間隙式：測量微小（0.01m-零點幾m m ）線位移； 變面積式：測量角位移或較大線位移； 變介電常數(shù)式：測量液位、固體厚度、介質(zhì)濕度、密度。 6.1.1 變間隙式電容傳感器 d A d A C r0 0 0 000 3 0 2 0000 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 )()()(1 /1 / )ddd(d d C d C S d d C C d d d d d d d d d d dd dd C C d A dd A C d A C

4、n 傳感器靈敏度 得近似線性關(guān)系當(dāng) 電容相對變化 ，電容增量設(shè)減小當(dāng) 初始電容 母、塑料膜。介電常數(shù)的材料，如云為此，極板間可采用高 穿或短路，但容易引起電容器擊應(yīng)減小可見，要提高靈敏度， 0 d 221 0 2211 0 21 / 111 dd A dd A C CCC 有了云母片，極板間起始距離可大大減小。 。差，應(yīng)增大可見，要減小非線性誤 ）（ 則相對非線性誤差 ）（若考慮線性項與二次項 0 0 0 2 0 000 3 0 2 0000 0 0 %100|%100 | | 1 )()()(1 /1 / d d d d d d d d d d d C C d d d d d d d d d

5、d dd C C 差動式電容傳感器差動式電容傳感器 %100)( 2 2 0 0 0 d d d C d C Sn 非線性誤差 傳感器靈敏度 差動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：差動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點： p靈敏度提高一倍；靈敏度提高一倍； p非線性誤差大大下降；非線性誤差大大下降； p還能減小靜電引力帶來的誤差，改善環(huán)境影響造成的誤差。還能減小靜電引力帶來的誤差，改善環(huán)境影響造成的誤差。 6.1.2 6.1.2 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 （1 1）角位移式）角位移式 d A C CC d A C d A C 電容增量 時，當(dāng) 時，當(dāng) 00 0 )1 ( 0 0 （2 2）線位移式）線位移式 d b x C S

6、 x d b CCC d xb C d xab C d ba C n x x 靈敏度 0 0 0 )( 增大極板邊長增大極板邊長b b，減小間隙，減小間隙d d，都可以提高靈敏度。但邊長，都可以提高靈敏度。但邊長a a過大，邊過大，邊 緣效應(yīng)會影響線性特性。緣效應(yīng)會影響線性特性。 6.1.3 6.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 （1 1）測量液位）測量液位 正比于被測液位高度可見，變換器電容增量 此時變換器電容 d D h C d D h C d D h d D h d D hH d D h C ln 2 ln )(2 ln )(2 ln 2 ln )(2 ln 2 1

7、0 11 （2 2）測量紙張、絕緣薄膜厚度或糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)）測量紙張、絕緣薄膜厚度或糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo) 電固體介質(zhì)濕度電固體介質(zhì)濕度 成線性關(guān)系。的移動量質(zhì)可見，電容變化量與介 電容相對變化量 初始電容 總電容量 L L L C CC C C d bL C d LLL bCCC r r rr 2 ) 1( )( 00 0 0 0 000 0 0 0 0021 2 21 0 0 1 1 d d0 0 d d1 1 如果如果0 0 為空氣介電常數(shù)，為空氣介電常數(shù)， 1 1為待測體介電常數(shù)，當(dāng)待測體為待測體介電常數(shù)，當(dāng)待測體 介電常數(shù)介電常數(shù)1 1不變時，此時電容傳感器可作為

8、測厚儀。不變時，此時電容傳感器可作為測厚儀。 6.2 電容式傳感器的等效電路 Rp極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗 Rs引線電阻、電容器支架、極板電阻損耗 L電容器本身電感和外部引線電感 因此，它有一個諧振頻率，傳感器要正常 工作，應(yīng)選擇低于傳感器諧振頻率的工作頻 率，否則，電容器不能正常工作。 6.3 6.3 電容式傳感器的信號調(diào)理電路電容式傳感器的信號調(diào)理電路 1. 電橋電路電橋電路 2.2.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 3.3.諧振電路諧振電路 4.4.運算放大器電路運算放大器電路 5.5.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 6.6.正反饋同相積分電路正反饋同相積分電路 To Two 目的：傳感器電容值非常

9、微小，必須通過信號調(diào)理電路將微小電容變 換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄 以及傳輸。 1. 1. 電橋電路電橋電路 濾波濾波 K 相敏相敏 檢波檢波 L1 L2 C1 C2 To 4.2.3 電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，且寄生電容影響小，因此簡化屏蔽和接 地，適于高頻工作，應(yīng)用很廣泛。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高， 其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。 0 0 d d EU 將傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容量發(fā)生變 化后，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化，通過鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化為振 幅的變化，經(jīng)放大后用儀表指示。 2. 2. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 特點：抗

10、外界干擾強，特性穩(wěn)定。 To 4.2.3 調(diào)頻振調(diào)頻振 蕩器蕩器 傳感器傳感器 混頻器混頻器 限幅限幅 放大器放大器 鑒頻器鑒頻器 非線性非線性 校正校正 輸出輸出 f0fz 調(diào)頻振調(diào)頻振 蕩器蕩器 fb 直放式調(diào)頻電路方框圖直放式調(diào)頻電路方框圖 ff CCCLLC f C C C L CCCL f 0 201 0 2 1 201 0 )C(2 1 2 1 )(2 1 器的振蕩頻率被測量不為零時，振蕩 ：傳感器初始電容 ：傳感器引線分布電容 ：振蕩回路固定電容 ：振蕩回路電感 調(diào)頻振蕩器的固有頻率 3. 3. 諧振電路諧振電路 將傳感器電容將傳感器電容C C3 3作為諧振回路調(diào)諧電容（作為諧振

11、回路調(diào)諧電容（L L2 2、C C2 2、C C3 3）一部分）一部分 特點：特點： 靈敏度高；靈敏度高； 缺點：工作點不易選取，變化范圍較窄；傳感器與諧振缺點：工作點不易選取，變化范圍較窄；傳感器與諧振 回路要離得較近，否則電纜雜散電容對電路影響大；要求回路要離得較近，否則電纜雜散電容對電路影響大；要求 振蕩器頻率穩(wěn)定，否則對測量精度影響大。振蕩器頻率穩(wěn)定，否則對測量精度影響大。 4. 4. 運算放大器式電路運算放大器式電路 特點：特點： 能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使VX 成線性關(guān)系成線性關(guān)系。 To 4.2.3 i u 0 C x C o u

12、 o I x I I -K 5. 5. 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 6.4 6.4 影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施 To Two 6.4.1. 6.4.1. 溫度的影響溫度的影響 1) 對結(jié)構(gòu)尺寸的影響對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 原因：溫度變化引起部分零件尺寸變化，導(dǎo)致極板間隙或面積變化，原因：溫度變化引起部分零件尺寸變化，導(dǎo)致極板間隙或面積變化， 產(chǎn)生附加電容產(chǎn)生附加電容。 制造時，選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料，如陶瓷或石英上制造時，選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料，如陶瓷或石英上 噴鍍一層金屬作為電極。噴鍍一層金屬作為電極。 2) 對介電常

13、數(shù)的影響對介電常數(shù)的影響 原因：介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，產(chǎn)生附加電容。原因：介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，產(chǎn)生附加電容。 可由后續(xù)測量線路進行補償，但不可完全消除。可由后續(xù)測量線路進行補償，但不可完全消除。 使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降 輸出產(chǎn)生零位漂移輸出產(chǎn)生零位漂移 To Two 6.4.2 6.4.2 漏電阻漏電阻 l選用絕緣性能良好的材料作兩極板支架，如陶瓷、石英等； l采用高的激勵電源頻率，降低傳感器內(nèi)阻抗。 電容式傳感器的電容量很小，如果激勵頻率較低時，內(nèi)阻抗就很高，所以電容式傳感器的電容量很小，如果激勵頻率較低時，內(nèi)阻抗就很高，所以 絕緣問題就很突出。一般的

14、絕緣電阻將被看做是對電容式傳感器的一個絕緣問題就很突出。一般的絕緣電阻將被看做是對電容式傳感器的一個 旁路，與之并聯(lián)，稱為漏電阻。旁路，與之并聯(lián)，稱為漏電阻。 使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降 非線性增加非線性增加 To Two 6.4.3 6.4.3 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng) l增大初始電容，即增大極板面積 或減小極板間距 l加裝等位環(huán) 寄生電容：電容器極板與周圍物體之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。寄生電容：電容器極板與周圍物體之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。 危害：使傳感器電容改變，導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來干擾。危害：使傳感器電容改變，導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來干擾。 To Two 6.4.4 6.4.4

15、寄生電容的影響寄生電容的影響 l縮短傳感器至測量線路前置級的距離，即集成化。 l驅(qū)動電纜法（等電位屏蔽法） l內(nèi)屏蔽層與芯線通過內(nèi)屏蔽層與芯線通過1 1：1 1放大器而放大器而 等電位，從而消除芯線與內(nèi)屏蔽層之等電位，從而消除芯線與內(nèi)屏蔽層之 間的電容。間的電容。 l一般用于當(dāng)電容傳感器的電容值很一般用于當(dāng)電容傳感器的電容值很 小，而因某些原因，測量電路只能與小，而因某些原因，測量電路只能與 傳感器分開時，可采用這種方法。傳感器分開時，可采用這種方法。 l整體屏蔽法 將整個電橋用一個統(tǒng)一的屏蔽罩保護起來將整個電橋用一個統(tǒng)一的屏蔽罩保護起來 1.1.電容式測微儀電容式測微儀 用以測量金屬表面狀況

16、、距用以測量金屬表面狀況、距 離尺寸、振幅等參數(shù)，一般采用離尺寸、振幅等參數(shù)，一般采用 單極式變間隙電容傳感器單極式變間隙電容傳感器, ,即被即被 測物體作為傳感器的一個極板，測物體作為傳感器的一個極板， 另一個極板在傳感器內(nèi)，最小檢另一個極板在傳感器內(nèi)，最小檢 測量為測量為0.010.01m m。 6.5 6.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 2.2.差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器 To Two （動電極）（動電極） （固定電極）（固定電極）（固定電極）（固定電極） 當(dāng)被測壓力或 壓差作用于膜 片并產(chǎn)生位移 時，形成一個 差動式極距型 傳感器。 3.3.電容式液位傳感器電容式液位傳感器 4.4.硅電容式加速度傳感器硅電容式加速度傳感器 當(dāng)有加速度施加時，活動極板（質(zhì)量塊）將產(chǎn)生微小位移，引起電容變 化，此由開關(guān)電容電路檢測形成兩路脈寬調(diào)制信號。而這種脈寬調(diào)制信 號產(chǎn)生的靜電力總是阻值活動電極偏離零位，且與加速度成正比