第四章電容式傳感器

1、第四章電容式傳感器第四章第四章 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器：利用電容器的原理，將非電電容式傳感器：利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化。電容式傳感器應(yīng)用：已在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和流量及成分分析的測(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器的特點(diǎn)：精度(0.01%,250mm量程的位移傳感器精度可達(dá)5微米)和穩(wěn)定性也日益提高，電容式傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣和非接觸測(cè)量的一種傳感器，很有發(fā)展前途。第四章電容式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及特性電容式傳感器的工作原理及特性dSdSCr0

2、金屬平板忽略邊緣效應(yīng)時(shí),其電容量為0為真空介電常數(shù)，0=8.85x10-12,F/m;r為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， r= /0; 保持三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)不變,則電容就是其中一個(gè)參數(shù)的單值函數(shù). 根據(jù)發(fā)生變化的參數(shù)的不同，電容式傳感器相應(yīng)地分為以下三種類型。 第四章電容式傳感器1. 角位移式 當(dāng) 時(shí)，初始電容量為0dSC當(dāng) 時(shí)，電容量就變?yōu)?)1 (dSdSC 根據(jù)動(dòng)極板相對(duì)定極板的移動(dòng)情況，變面積型電容傳感器又分為角位移式和直線位移式兩種。一、變面積型 由式可見，電容量C與角位移呈線性關(guān)系。第四章電容式傳感器2. 2. 直線位移式直線位移式)1 ()1 ()(0axCaxdbadxabCdbaCxa

3、xCxCCxCK000)(0 當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離時(shí)，則S發(fā)生變化，C也就改變了。 可見，電容量C與直線位移也呈線性關(guān)系， 其測(cè)量的靈敏度為第四章電容式傳感器 顯然，減小兩極板間的距離顯然，減小兩極板間的距離d d，增大極板的，增大極板的寬度寬度b b可提高傳感器的靈敏度。但可提高傳感器的靈敏度。但d d的減小受的減小受到電容器擊穿電壓的限制，而增大到電容器擊穿電壓的限制，而增大b b受到傳感受到傳感器體積的限制。器體積的限制。 需要說(shuō)明的是，位移不能太大，否則邊緣效需要說(shuō)明的是，位移不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器的特性產(chǎn)生非線性變化。應(yīng)會(huì)使傳感器的特性產(chǎn)生非線性變化。 變面積型

4、電容傳感器還可以做成其他多種形變面積型電容傳感器還可以做成其他多種形式，常用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。式，常用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。 dbxCK第四章電容式傳感器二、變間隙型二、變間隙型1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)第四章電容式傳感器 設(shè)動(dòng)極板在初始位置時(shí)與定極板的間距為d0。此時(shí)的初始電容量為00dSC 當(dāng)被測(cè)量的變化引起間距減小了d時(shí)，電容量就變?yōu)?000000111ddCdddSddSCC00001ddddddCC10dd當(dāng) 時(shí)：第四章電容式傳感器00ddCC2000dSdCdCK00001ddddddCC10dd只有當(dāng)時(shí) ，才能近似為線性關(guān)系當(dāng)傳感器被近似看做線性時(shí)，其靈敏度為第四章電容式傳感器2.

5、 2. 差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)dd0dd0第四章電容式傳感器其電容分別為其電容分別為 )1 ()(111102020000001ddddCddCdddSddSC)1 ()(111102020000002ddddCddCdddSddSC 則當(dāng) 時(shí)，電容總的相對(duì)變化量為 0dd 002102ddCCCCC由此可求出傳感器的靈敏度為200022dSdCdCKdd0dd0第四章電容式傳感器2000dSdCdCK200022dSdCdCK 差動(dòng)結(jié)構(gòu)可使傳感器的靈敏度提高一倍。而且其線性誤差也可減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以在實(shí)際應(yīng)用中大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu). 基本結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)第四章電容式傳感器三、變介電常數(shù)型三、變介電常數(shù)

6、型變介電常數(shù)型電容傳感器常用來(lái)檢測(cè)容器變介電常數(shù)型電容傳感器常用來(lái)檢測(cè)容器中液面的高度，或片狀材料的厚度等。中液面的高度，或片狀材料的厚度等。 下面通過(guò)兩種應(yīng)用，介紹此類電容傳感器下面通過(guò)兩種應(yīng)用，介紹此類電容傳感器的原理。的原理。第四章電容式傳感器 1. 1. 電容式液面計(jì)電容式液面計(jì) 21CCCrRxhCln)(21rRxCxln22電容器總電容:介質(zhì)為氣體部分的電容:介質(zhì)為液體部分的電容:h 為電極高度; R 為外電極的內(nèi)半徑; r 為內(nèi)電極的外半徑.第四章電容式傳感器bxaxrRrRhrRxxhCxxln)(2ln2ln)(2rRhaln2rRbxln)(2液面計(jì)的輸出電容C與液面高度

7、 成線性關(guān)系。x第四章電容式傳感器 2. 2. 電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀該電容器的總電容C等于兩種介質(zhì)分別組成的兩個(gè)電容C1與C2的串聯(lián)，即xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCCCxxxxxxxx)(2121第四章電容式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器應(yīng)用中電容式傳感器應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施第四章電容式傳感器 一、等效電路一、等效電路 C傳感器電容；L電容器的引線電感； 電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)的影響時(shí)其等效電路為RP低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；RS高溫、高濕、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻，它包含

8、導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；CP寄生電容第四章電容式傳感器2222)1 (1)(1LCCLCCCCLCCCeLCKdCCKceee21/dCCKc/電容傳感器的等效靈敏系數(shù)為在較低頻率下使用時(shí)，L和RS可忽略，只考慮RP對(duì)傳感器的分路作用；當(dāng)使用頻率增高時(shí)，尤其要考慮L的影響，此時(shí)傳感器的等效電容為eCCjLjCje11LCCCe21 電容傳感器的靈敏度第四章電容式傳感器 即傳感器的等效靈敏度Ke與傳感器的靈敏度、電源角頻率、電容引線電感及電容器電容都有關(guān)，因此每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或更換傳輸電纜時(shí)，都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。LCKdCCKceee21/第四章電容式傳感器 二、邊緣效應(yīng) 理

9、想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板相互覆蓋的空間，但實(shí)際上，在極板的邊緣附近，電氣分布是不均勻的，這種現(xiàn)象叫電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)。 這種電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，其結(jié)果使傳感器的靈敏度下降和非線性增加第四章電容式傳感器1、增大初始電容量；即增大極板面積和減小極板間距。減小邊緣效應(yīng)的方法：2、加裝等位環(huán)。G等位環(huán)。A和G是一同心的環(huán)面，兩者的間隙越小越好，使用時(shí)A和G始終等電位，且在電氣上相互絕緣；另外，為了保持A和G的等電位，一般盡量使二者同為地電位，但有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，這時(shí)就必須加入適當(dāng)?shù)碾娮泳€路。 加裝等位環(huán)的電容器有效地抑制了邊緣效應(yīng)，但也增加了加工工藝難度。第四章電

10、容式傳感器三、寄生電容的影響寄生電容:任何兩個(gè)導(dǎo)體之間均可構(gòu)成電容聯(lián)系。電容式傳感器除了極板之間的電容外，極板還可能與周圍物體，包括儀器中的各種元件甚至人體之間產(chǎn)生電容聯(lián)系。這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身電容很小，所以寄生電容可能導(dǎo)致傳感的電容量發(fā)生明顯的變化，而且寄生電容極不穩(wěn)定，還會(huì)導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定,對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾.第四章電容式傳感器此外，屏蔽線本身的電容量較大，且由于放置位置和形狀不同而有較大變化，也會(huì)產(chǎn)生不同的寄生電容，造成傳感器的靈敏度下降和特性不穩(wěn)定。目前解決這一問(wèn)題的有效方法是采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，也稱雙層屏弊等電位傳輸技術(shù)。 為了克服上述寄生電容的影響，必須對(duì)傳

11、感器進(jìn)行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼體內(nèi)，并將殼體良好接地。出于同樣原因，其電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套須同樣良好接地。第四章電容式傳感器驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)(雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù))基本思路:將電極引出線進(jìn)行內(nèi)外雙層屏蔽,使內(nèi)層屏蔽與引出線的電位相同,從而消除了引出線對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電（寄生電容）,而外層屏蔽仍接地而起屏蔽作用，防止外電場(chǎng)干擾。 驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)的線路復(fù)雜,要求高,但傳感器的電容量變化為1PF時(shí)仍能正常工作.“驅(qū)動(dòng)電纜”:由于屏蔽電纜上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓。第四章電容式傳感器 四、溫度的影響四、溫度的影響1. 溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極板間隙

12、很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感.在傳感器各零件材料線膨脹系數(shù)不匹配的情況下,溫度變化將導(dǎo)致極間隙有較大的相對(duì)變化,從而產(chǎn)生很大的溫度誤差. 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出與被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而產(chǎn)生溫度干擾誤差（簡(jiǎn)稱溫度誤差）。這種影響主要有以下兩個(gè)方面：第四章電容式傳感器定極板厚度為g0絕緣件厚度為b0動(dòng)極板至絕緣件底部的殼體長(zhǎng)為a0各零件材料的線膨脹系數(shù)分別為abgaaa、dddgbadt00000由此引起的溫度誤差et 為 tagabaadtagabaadddegbagbattt)()(00000000tt0當(dāng)?shù)谒恼码娙菔絺鞲衅?由此可見，消除溫度誤差的條件為由此可見，消除

13、溫度誤差的條件為0000gbaagabaa 此外，在制造電容傳感器時(shí)，一般要選用溫度膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料。000、bg、aaadCabg、 可見,在設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí),要盡量的滿足補(bǔ)償條件。 例如電極的支架選用陶瓷材料要比塑料或有機(jī)玻璃好；電極材料以選用鐵鎳合金為好；近年來(lái)采用在陶瓷或石英上噴鍍一層金屬薄膜來(lái)代替電極，效果更好。 減小溫度誤差的另一常用措施是采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在測(cè)量電路中加以補(bǔ)償。第四章電容式傳感器2. 2. 溫度對(duì)介質(zhì)的影響溫度對(duì)介質(zhì)的影響 例如，煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07%/ 0C；若環(huán)境溫度變化500C，則將帶來(lái)7%的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫

14、度變化造成的誤差。 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零， 而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。第四章電容式傳感器設(shè):Z1Z2，則當(dāng)差動(dòng)電容中的動(dòng)極板移動(dòng)d時(shí)，交流電橋的輸出電壓為:002CCUUAC式中，C0為C1C2 時(shí)的電容，C為差動(dòng)電容變化量。 第三節(jié) 測(cè)量電路一、電橋型電路交流電橋平衡時(shí)：211221ddCCZZ第四章電容式傳感器 用穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和固定波形的低阻信號(hào)源去激勵(lì)，電橋輸出電壓經(jīng)放大，相敏整流后得到直流的輸出信號(hào)。第四章電容式傳感器二、雙二、雙T T電橋電路電橋電路U1高頻對(duì)稱方波電源+則RL上的平均電流為零，

15、RL上輸出電壓為0.在電源的正半周時(shí)：在電源的負(fù)半周時(shí)：若在下一個(gè)電源的正半周時(shí)：2121RRCC第四章電容式傳感器)()()2()()(121120210CCfURRRRRRRdttitiTRIULLLTLLL)(2110CCfMUU21CC 21RRR 該電路輸出電壓高，輸出阻抗小，它的輸出電流可以直接驅(qū)動(dòng)毫安表或微安表。測(cè)量的非線性誤差很小，適用于高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量?？捎锰岣呒?lì)方波頻率的辦法提高傳感器的頻率響應(yīng)。若則經(jīng)RL的平均電壓為：第四章電容式傳感器iiiCjIUxxCjIU0 xiIIxiiCCUU0dSCxdSCUUii0由虛短：由虛斷：由上三式得：三、運(yùn)算放大器電路理想運(yùn)算

16、放大器： 虛短和虛斷CX為電容傳感器第四章電容式傳感器 由此可知輸出電壓與動(dòng)極板位移呈線性關(guān)系。所以此電路從原理上解決了變極距式的非線性問(wèn)題。 但上述結(jié)論是在理想的條件下得到的，實(shí)際的輸出仍有一定的非線性。但當(dāng)放大器的放大倍數(shù)及輸入阻抗足夠大時(shí)，誤差很小。dSCUUii0 此外， 還與 有關(guān)。因此還要求 必須穩(wěn)定， 必須采用穩(wěn)壓措施。SCUii、0UiUiC第四章電容式傳感器A1、A2比較器；R1、R2充電電阻； R1=R2UF參考電壓；C1、C2傳感器差動(dòng)電容 四、脈寬調(diào)制型測(cè)量電路第四章電容式傳感器初始狀態(tài)時(shí)：C1=C2U0=0第四章電容式傳感器時(shí)，當(dāng)2121CCCCA、B兩點(diǎn)的平均電壓不

17、再相等，此時(shí)直流輸出電壓就等于A、B兩點(diǎn)的平均電壓之差，經(jīng)推導(dǎo)可得 121210UCCCCU第四章電容式傳感器 脈寬調(diào)制型測(cè)量電路具有線性輸出的特性。這是脈寬調(diào)制型測(cè)量電路的重要優(yōu)點(diǎn)。此外，該電路的輸出信號(hào)一般為100kHZ1MHZ的高頻矩形波，只需簡(jiǎn)單地經(jīng)由低通濾波器就可獲得直流輸出。1021,UCCUCCCCCC121210UCCCCU第四章電容式傳感器五、調(diào)頻型測(cè)量電路 把電容式傳感器接入高頻振蕩器的振蕩回路中，當(dāng)傳感器的輸出電容量在被測(cè)量作用下發(fā)生變化時(shí)，振蕩器頻率亦相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻型。第四章電容式傳感器 調(diào)頻型測(cè)量電路的主要優(yōu)點(diǎn)是抗外來(lái)干擾能力

18、強(qiáng)，特性穩(wěn)定，且能取得較高的直流輸出信號(hào)。 在實(shí)現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進(jìn)行顯示和記錄；也可將頻率信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，用以判斷被測(cè)量的大小。第四章電容式傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 電容傳感器應(yīng)用舉例電容傳感器應(yīng)用舉例 電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅(可測(cè)至0.05m的微小振幅) ，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度和加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度及電介質(zhì)的濕度、密度和厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常被用作位置信號(hào)發(fā)生器。第四章電容式傳感器1. 1.

19、 差動(dòng)式電容壓力傳感器差動(dòng)式電容壓力傳感器特點(diǎn)：由兩個(gè)相同的可變電容組成1、可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)；2、靈敏度高、線線好；3、加工困難，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的密封；因此這種結(jié)構(gòu)的傳感器不宜于工作在含腐蝕或其他雜質(zhì)的流體中。第四章電容式傳感器 2. 2. 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器1、5極板；2殼體；3簧片； 4質(zhì)量塊； 電容的差值正比于被測(cè)加速度。 彈簧片較硬，使得系統(tǒng)的固有頻率較高，從而構(gòu)成慣性式加速度計(jì)的工作狀態(tài)。 由于采用空氣阻尼，氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大。第四章電容式傳感器 3. 3. 電容式料位傳感器電容式料位傳感器

20、 由于固體摩擦力較大，容易滯留，所以一般采用單電極式電容傳感器 用電容傳感器測(cè)量固體塊狀、顆粒體及粉狀料位的情況。dDHCln)(20第四章電容式傳感器 4. 4. 電容式位移傳感器電容式位移傳感器 圖是一種單電極電容振動(dòng)位移傳感器，它的平面測(cè)端電極1是電容器的一極，通過(guò)電極座4連接引線接入電路，另一極是被測(cè)物表面。金屬殼體3與平面測(cè)端電極1間有絕緣襯塞2使彼此絕緣。使用時(shí)金屬殼體3為夾持部分，被夾持在標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架或其他支承上。金屬殼體3接大地可起屏蔽作用。第四章電容式傳感器1、電容式傳感器采用 作為傳感元件，將非電量的 變化轉(zhuǎn)換為 的變化。3、電容式傳感器常用的轉(zhuǎn)換電路有： 、 、運(yùn)算放大器電路

21、、 和 等 。2、根據(jù)工作原理的不同，電容式傳感器可分為 、 和 三種。 電容器電容變面積型變間隙型變介電常數(shù)型電橋型電路雙T電橋電路脈寬調(diào)制型電路 練 習(xí)4、電容式傳感器有什么特點(diǎn)？試舉出你所知道的電容傳感器的實(shí)例。 電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性較高，頻響寬、應(yīng)用廣和非接觸測(cè)量，很有發(fā)展前途。第四章電容式傳感器5、試分析電容式各類傳感器的靈敏度？為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問(wèn)題？6、為什么說(shuō)變間隙型電容傳感器特性是非線性的？采取什么措施可改善其非線性特征？dbxCK變面積型：2000dSdCdCK變間隙型：采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)：200022dSdCdCK 采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或增大S和減小d均可提高傳感器的靈敏度，但增大S和減小d受到傳感器體積和擊穿電壓的限制。此外，對(duì)于同樣大小的d，d0越小則d/d0越大，由此造成的非線性誤差也越大。00ddCC時(shí)當(dāng)10dd差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，采用運(yùn)算放大電路的測(cè)量電路第四章電容式傳感器7、變間隙電容傳感器的測(cè)量電路為運(yùn)算放大器電路，如圖所示。傳感器的起始電容量 ，定動(dòng)極板距離 , 運(yùn)算放大器為理想放大器（即 ）， 極大，輸入電壓 V。求當(dāng)電容傳感器動(dòng)極板上輸入一位移量 使 減小時(shí)，電路輸出電壓 為多少？pFCx200mmd5 . 10pFC100iZK，t