第4章-電容式傳感器

1、4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理1 1存在問題及影響精度原因存在問題及影響精度原因3 3電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路4 42 2電容式傳感器的電容式傳感器的應用應用我們先來做一個實驗。打開一只老式收音機后蓋，可以我們先來做一個實驗。打開一只老式收音機后蓋，可以看到一只看到一只“可變電容器可變電容器”。增加該電容器。增加該電容器“動片動片”的旋出的旋出角度，收音機的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺頻角度，收音機的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺頻率也逐漸升高。率也逐漸升高。結論：結論：這個電容器的電容量與兩個極板的有效投影面積這

2、個電容器的電容量與兩個極板的有效投影面積成正比。成正比。 概述 電容式傳感器是實現(xiàn)非電量到電容量轉電容式傳感器是實現(xiàn)非電量到電容量轉化的一類傳感器化的一類傳感器。u可以應用于位移、振動、角度、加速度等參可以應用于位移、振動、角度、加速度等參數(shù)的測量中。數(shù)的測量中。u由于電容式傳感器結構簡單、體積小、分辨由于電容式傳感器結構簡單、體積小、分辨率高，且可率高，且可非接觸測量非接觸測量，因此很有應用前景。，因此很有應用前景。電容式液位計電容式液位計 棒狀電極狀電極（金屬屬管）外面包裹聚四氟氟乙烯烯套管，當當被測測液體的液面上升時時，引起棒狀電極與導電狀電極與導電液體之間間的電電容變變大。 聚四氟乙烯

3、外套聚四氟乙烯外套 智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：智能化液位傳感器的設定方法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。警信號和控制信號。設定按鈕設定按鈕4-1 電容式傳感器的工作原理 由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為：電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為：式中：式中：電容極板間介質的介電常數(shù)，

4、電容極板間介質的介電常數(shù)， ，其中，其中 0 0為真空介為真空介電常數(shù)，電常數(shù)， r r為極板間介質相對介電常數(shù)；為極板間介質相對介電常數(shù)；AA兩平行板所覆蓋的面積；兩平行板所覆蓋的面積； 0 =8.85410-12 F/m dd兩平行板之間的距離。兩平行板之間的距離。 對于空氣介質，對于空氣介質，r 1u 保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。0rSSC(PF)dd u在實際使用時，電容式傳感器常以改變平

5、行板間距d來進行測量，因為這樣獲得的測量靈敏度高于改變其他參數(shù)的電容傳感器的靈敏度。u改變平行板間距d的傳感器可以測量微米數(shù)量級的位移，而改變面積A的傳感器只適用于測量厘米數(shù)量級的位移。變間隙型變面積型變介質型電容式傳感器電容式傳感器1. 1. 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器u下圖為變極距型電容式傳感器的原理圖。當傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d時，其初始電容量 為：0C圖圖1 變極距型電容傳感器原理圖變極距型電容傳感器原理圖d d極板極板1 1極板極板2 20SCd 0SSSddCCdddd dddd 10Cddd1Cddd ddCCC-00C=C0+C100 r2CSCdK1ddd

6、d 若d/d1時近似為線性關系近似為線性關系還可以看出，在還可以看出，在d0d0較小時，對于同樣的較小時，對于同樣的 dd變化所引起的變化所引起的CC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0d0過小，容易引起過小，容易引起電容器擊穿或短路。電容器擊穿或短路。圖圖2 2 電容量與極板間距離的關系電容量與極板間距離的關系ddCCC-00u為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質。云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時傳感器的輸出

7、特性的線性度得到改善。u一般變極距型電容式傳感器的起始電容在20 30 pF之間，極板間距離在25200m的范圍內，最大位移應小于間距的1/10，故在微位移測量中應用最廣。C C2 2 d d2 2C C1 1 d d1 112ddd 0SCd 12dddddd 1020SS11CCddddd11ddSS11CCddddd11dd 00 r2CSCK22ddd 35120dddCCCC222ddd 240C2ddd2d1Cdddd 結論：靈敏度提高一倍，結論：靈敏度提高一倍，d/d的奇次方項被抵消了的奇次方項被抵消了，使得非線性減少。，使得非線性減少。2 .2 . 變面積型電容式傳感器變面積型

8、電容式傳感器u上圖是變面積型電容傳感器原理結構示意圖。被測量通上圖是變面積型電容傳感器原理結構示意圖。被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S S改變，從而改改變，從而改變電容量。變電容量。變面積型電容傳感器原理圖變面積型電容傳感器原理圖u當動極板相對于定極板延長度當動極板相對于定極板延長度a a方向平移方向平移 x x時，時，可得：可得：u式中式中 為初始電容。電容相對變化為初始電容。電容相對變化量為量為u很明顯，這種形式的傳感器其電容量很明顯，這種形式的傳感器其電容量C C與水平位移與水平位移xx是是線性關系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測線性

9、關系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為：量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為：0r0b xCCCd 0CxCa0rbCsxd 00rCba d u下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當動極板下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當動極板有一個角位移有一個角位移 時，與定極板間的有效覆蓋面積時，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。就改變，從而改變了兩極板間的電容量。u當當=0=0時，則時，則電容式角位移傳感器原理圖電容式角位移傳感器原理圖0000rACd 式中：式中： r r 介質相對介電常數(shù)；介質相對介電常數(shù)； d d0 0 兩極板間

10、距離；兩極板間距離； A A0 0 兩極板間初始覆蓋面積。兩極板間初始覆蓋面積。u當當00時，則時，則u從上式可以看出，傳感器的電容量從上式可以看出，傳感器的電容量C C與角位移與角位移 呈線性關系。呈線性關系。00000(1)rACCCd D0D1La圓柱形電容式線位移傳感器：筒長L)pF/C;cm/L(DDln.LC,DDlnLCrr10010008012成線性關系。與aLaCDDaLCr,ln12010011.3 變介質型電容式傳感器變介質型電容式傳感器 xx0abC x xC CC C1 1C C2 2C C3 30空氣的介電常數(shù);0010bLCdd 120101010CCC11bxb

11、 Lxdddd 0 0L LC C1 1d d1 1d d0 01 1x xC C2 2C CC C2 2C C1 1LxCCCCC) 1(1000電容相對變化電容相對變化可見可見, 電容的變化電容的變化C與電介質與電介質1的的移動量移動量 x 呈呈線性線性關關系。系。 3 電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。u必須借必須借助測量電路檢出這一微小電容增量，助

12、測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉換并將其轉換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或者頻率。成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或者頻率。u電容轉換電路有電橋式電路、調頻電路、運算放大器式電容轉換電路有電橋式電路、調頻電路、運算放大器式電路、二極管雙電路、二極管雙T T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。1 1 ）調頻測量電路）調頻測量電路Cxf振蕩器振蕩器uf限幅限幅放大器放大器uL鑒頻器鑒頻器調頻測量電路中電容式傳感器作為調頻測量電路中電容式傳感器作為振蕩器振蕩器諧振回路諧振回路的一的一部分部分, 當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)當輸入量導致電容量

13、發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。生變化。若用頻率直接作為測量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被測非電量的若用頻率直接作為測量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被測非電量的大小，具有非線性、不易校正等問題。大小，具有非線性、不易校正等問題。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉換為電壓振幅變化來輸出。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉換為電壓振幅變化來輸出。3 電容式傳感器的測量電路u圖中調頻振蕩器的振蕩頻率為圖中調頻振蕩器的振蕩頻率為式中：式中：L0L0振蕩回路的電感；振蕩回路的電感；C C 振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容， 。其中，。其中，C1C1為振蕩回路為振蕩回路固有電容；固有電容；C2C2為傳感器引線分布電容；為傳

14、感器引線分布電容；而而 為傳感器為傳感器的電容的電容。 12012 ()fL C12xCCCC0 xCCCCxf振蕩器振蕩器uf限幅限幅放大器放大器uL鑒頻器鑒頻器4.4 電容式傳感器的測量電路當被測信號為當被測信號為0 0時，時，C =0C =0，則，則 ，所以振蕩，所以振蕩器有一個固有頻率器有一個固有頻率 ：當被測信號不為當被測信號不為0 0時，時，C0C0，振蕩器頻率有相應變化，此，振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為：時頻率為：120CCCC012120012 ()fCCCL0f012120012 ()fffCCCC L f=(-1/2).f0.(c/(c+c0)電容量電容量c的變化引起交

15、流信號的頻率發(fā)生變化。的變化引起交流信號的頻率發(fā)生變化。（詳見（詳見P85）變換器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b) 是指鑒頻器的是指鑒頻器的輸出電壓輸出電壓u0與與輸入電壓瞬時頻率輸入電壓瞬時頻率f 或頻偏或頻偏f之間的關之間的關系曲線。系曲線。 二者是截然不同的兩種信號。二者是截然不同的兩種信號。 理想鑒頻特性曲線應是一條直線，但實際上往往有彎曲，呈理想鑒頻特性曲線應是一條直線，但實際上往往有彎曲，呈S形。形。鑒頻特性鑒頻特性( (曲線曲線) ) 調頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度，可以調頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度，可以測至測至0.01 m級位移變化量。信號輸出易于用

16、數(shù)字級位移變化量。信號輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)儀器測量和與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。差動脈沖調寬電路，通過對傳感器電容的充放電，使差動脈沖調寬電路，通過對傳感器電容的充放電，使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器，被測量的變化轉換為直流信號輸出。通過低通濾波器，被測量的變化轉換為直流信號輸出。Cx1、Cx2為差動式傳感器的兩個電容；若用單組式，則其中一個為固定電容，為差動式傳感器的兩個電容；若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電

17、容初始值相等；其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，是兩個比較器，Ur為其參考電壓。為其參考電壓。低通濾波器低通濾波器當當接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，則觸發(fā)器通過R1對Cx1充電?；竟ぷ髟砘竟ぷ髟懋敭擣點電位UF升到與參考電壓Ur相等時，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉，使Q端為低電平。此時，電容Cx1通過二極管VD1迅速放電至零，而觸發(fā)器經(jīng)R2向C2充電。當G點電位UG與參考電壓Ur相等時，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉。此時，電容Cx2通過二極管VD2迅速放電至零。如此交替激勵。因此，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖因此，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸

18、出方波脈沖的寬度受電容的寬度受電容Cx1、Cx2的調制。的調制。循循環(huán)環(huán)工工作作雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器R2R2A1A1A2A2VD1VD1R1R1uABuABC2C2C1C1Q QQ Q A AG GB BF FU UR R比較器比較器VD2VD2（1）當Cx1=Cx2時，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2相等，測量電路在一個周期T=T1+T2時間內輸出平均電壓為零。（2）當當Cx1Cx2時，時，C1和C2充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2不相等，測量電路在一個周期T=T1+T2時間內輸出平均電壓，經(jīng)過低通濾波器后，為U1：觸發(fā)器的高電平值1UUUUBA直U直t0 l

19、nln1122211111rrUUUCRTUUUCRTC C1 1、C C2 2的充電時間的充電時間T T1 1、T T2 2為：為：A A、B B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于只取兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于只取A A、B B兩點電兩點電壓的直流分量壓的直流分量 p88p88頁頁低通濾波器低通濾波器U直直 1212112121211UTTTTUTTTUTTTUUUBA直Ur:比較器電壓比較器電壓設設R R1 1R R2 2R R，C1=C0+C1=C0+C, C, C2=C0-C,則則 差動脈沖調制電路輸出的直差動脈沖調制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值流電壓與傳感

20、器兩電容差值成正比。成正比。 U 112121UCCCCU直U直t0對差動變極距型平行板電容傳感器有對差動變極距型平行板電容傳感器有1012121UddUddddU直同理，變面積型電容傳感器有同理，變面積型電容傳感器有1012121UAAUAAAAU直因此，差動脈沖寬度調制電路適用于差動電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調等；無元件線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。交流電橋的多種形式交流電橋的多種形式圖為電感-電容電橋。 舉舉例 變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感

21、器的兩個電容C1、C2作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調幅值，經(jīng)放大、檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應的輸出，最后為儀表顯示記錄。4）諧振法測量電路（自學）諧振法測量電路（自學）4 電容式傳感器的應用 電容式傳感器由于結構簡單，可以不用有機材料電容式傳感器由于結構簡單，可以不用有機材料和磁性材料構成，所以它可以在溫度變化大、有各種輻和磁性材料構成，所以它可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。射等惡劣環(huán)境下工作。u電容式傳感器可以制成非接觸式測量器，響應時間短，電容式傳感器可以制成非接觸式測量器，響應時間短，適合于適合于在線和動態(tài)測量。在線和動態(tài)測量

22、。u電容式傳感器具有高靈敏度，且其極間的相互吸引力十電容式傳感器具有高靈敏度，且其極間的相互吸引力十分微小，從而保證了較高的測量精度。分微小，從而保證了較高的測量精度。u近年來電容式傳感器被廣泛地應用在厚度、位移、壓力、近年來電容式傳感器被廣泛地應用在厚度、位移、壓力、密度、物位等物理量的測量中。密度、物位等物理量的測量中。1.1.電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示 電容式壓力傳感器及血壓測量電容式壓力傳感器及血壓測量 膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和參比電極均通過真空鍍膜得到。膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和參比電極均通過真空鍍膜得到。基座小

23、孔接通大氣。基座小孔接通大氣。極板間距極板間距10m；電容初值：敏感電容電容初值：敏感電容Cx0=112pF 、參比電容、參比電容CR0=56pF。等效電路等效電路22300(1)1116xxxrPrCCEh 當被測血壓當被測血壓P均勻作用在膜片上時，膜片撓曲變形。均勻作用在膜片上時，膜片撓曲變形。Cx和和P的關系為：的關系為：泊松比；泊松比；E楊氏模量；楊氏模量；rx敏敏感電容的半徑；感電容的半徑；h-膜片厚度膜片厚度測量電路測量電路 初始時刻，血壓為初始時刻，血壓為0 0時，調節(jié)電位器時，調節(jié)電位器WW使橋路平衡，則輸出電壓為使橋路平衡，則輸出電壓為0 0；測量時，在血壓壓力的作用下，導致

24、橋路不平衡，輸出電壓為：測量時，在血壓壓力的作用下，導致橋路不平衡，輸出電壓為：000001/RSRXXRXCUCUCCCCU0(V)血壓測量范圍：血壓測量范圍：-440kPa（-30300mmHg)，非，非線性誤差線性誤差0.5%代入Cx與P的關系式，可知U0與P成正比。1 1電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路u上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激高溫

25、、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如下圖所示。其等效電路如下圖所示。 電電容式容式傳傳感器的等效感器的等效電電路路4.6 4.6 電容式傳感器存在的問題電容式傳感器存在的問題計算有效電容Ce(為了計算方便，實際中Rs很小和Rp很大): LjCjCje11LCCCe21圖中考慮了電容器的損耗和電感效應。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應。Rp并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質損耗。這些損耗在低頻時漏電阻和介質損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。小，其影響就減弱。Rs串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。器支架和極板電阻的損耗。電感電感L由電容器本身的電感和外部引線由電容器本身的電感和外部引線電感組成。電感組成。 以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效應的影響。以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效應的影響。u實際上