傳感器原理及應(yīng)用 第二章

傳感器技術(shù)主講：吳秋寧第二章力傳感器第三節(jié)電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。電容器是電子技術(shù)的三大類(lèi)無(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱(chēng)為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。原理：被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化種類(lèi)：變極距δ、變面積A、變介質(zhì)ε

δ

、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。一、工作原理與類(lèi)型（一）工作原理（二）

類(lèi)型三種基本類(lèi)型：變極距(變間隙)(δ)型變面積型(A)型變介電常數(shù)(ε)型表5-1列出了電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。位移：線(xiàn)位移和角位移兩種。極板形狀：平板或圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其他的形狀，但一般很少用，故表中未列出。其中差動(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、穩(wěn)定性高。

輸入輸出關(guān)系：△δ/δ

0－△C/C0

具有嚴(yán)重非線(xiàn)性。

靈敏度：1、變極距型電容傳感器1、變極距型電容傳感器

1、變極距型電容傳感器2、變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線(xiàn)位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r2、r1—圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。

當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)Δl時(shí)，電容變化量ΔC為這類(lèi)傳感器具有良好的線(xiàn)性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。

3、變介電常數(shù)型電容傳感器

變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為

δx厚度傳感器a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度；δ:兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線(xiàn)位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為

a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度；δ:兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

l平板形lx若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為

液位傳感器hC1CC2可見(jiàn)，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線(xiàn)性關(guān)系。

2r12r2hx例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：二、電容式傳感器等效電路L包括引線(xiàn)電纜電感和電容式傳感器本身的電感：r由引線(xiàn)電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線(xiàn)電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。C0CpRgLrCeReLreCe供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/2二、電容式傳感器特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)：Ⅰ.溫度穩(wěn)定性好：電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。Ⅱ.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過(guò)載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。Ⅲ.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個(gè)10－5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆Hz的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。Ⅳ.可以非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)：例如非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測(cè)極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01μm甚至更小的位移；由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。二、電容式傳感器特點(diǎn)

2.缺點(diǎn)（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般微幾十導(dǎo)幾百皮法，其值只有幾個(gè)皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)108～106Ω。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周?chē)沫h(huán)境如濕度、清潔度等。二、電容式傳感器特點(diǎn)

（2）寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線(xiàn)電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，影響測(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

（3）輸出特性非線(xiàn)性。變極距型電容傳感器的輸出是非線(xiàn)性的。其它類(lèi)型傳感器也只有忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出才是線(xiàn)性的。

二、電容式傳感器特點(diǎn)三、電容式傳感器測(cè)量電路

1.交流電橋電路交流電橋電路如圖所示，高頻電源經(jīng)變壓器接到電橋的一條對(duì)角線(xiàn)上，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的4個(gè)臂，Cx為電容傳感器，交流電橋平衡時(shí)則U0=0。當(dāng)Cx改變時(shí)，U0≠0，有電壓輸出。此種電橋電路要求交流電源的幅度和頻率都十分穩(wěn)定；電橋放大器的輸入阻抗要高；測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受電橋供電電源的頻率限制，一般要求電源頻率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的5～10倍。

交流電橋電路

2.變壓器電橋如圖所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。電橋的空載輸出電壓為對(duì)變極距型電容傳感器，代入上式得變壓器電橋

三、電容式傳感器測(cè)量電路

三、電容式傳感器測(cè)量電路

3.調(diào)頻電路電容式傳感器的調(diào)頻電路原理如圖所示。該電路將電容式傳感器接入高頻振蕩器的LC回路中，當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，電容也隨之變化，產(chǎn)生一個(gè)變化量ΔC，使得振蕩頻率也相應(yīng)變化。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為三、電容式位移傳感器測(cè)量電路4.脈沖寬度調(diào)制電路當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平(U1)，端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過(guò)R1對(duì)C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平，端為高電平(U1)。此時(shí)，由電容C1通過(guò)二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過(guò)程。脈沖寬度調(diào)制電路

三、電容式位移傳感器測(cè)量電路

可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖(a)所示，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1＞C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖(b)所示，Q、兩端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為式中：T1和T2分別為Q端和端輸出方波脈沖的寬度，亦即C1和C2的充電時(shí)間。

各點(diǎn)電壓波形圖三、電容式傳感器測(cè)量電路當(dāng)該電路用于差動(dòng)式變極距型電容傳感器時(shí)，有

這種電路只采用直流電源，無(wú)需振蕩器，要求直流電源地電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度地穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。用于差動(dòng)式變面積型電容傳感器時(shí)有

三、電容式傳感器測(cè)量電路三、電容式傳感器測(cè)量電路5．運(yùn)算放大器電路這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線(xiàn)路，無(wú)波形和相移失真；輸出信號(hào)只需要通過(guò)低通濾波器引出；直流信號(hào)的極性取決于C1和C2；對(duì)變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線(xiàn)性輸出。這種脈寬調(diào)制線(xiàn)路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。圖為其電原理圖。C1為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高(Zi→∞)，因此可視作理想運(yùn)算放大器。其輸出端輸出一與C1成反比的電壓U0，即運(yùn)算放大器電路

三、電容式位移傳感器測(cè)量電路

式中，Ui為信號(hào)源電壓，C0為固定電容，要求它們都很穩(wěn)定。對(duì)變極距型電容傳感器(C1＝ε0εrA/δ)，公式可寫(xiě)為

可見(jiàn)配用運(yùn)算放大器測(cè)量電路的最大特點(diǎn)是克服了變極距型電容傳感器的非線(xiàn)性。三、電容式傳感器測(cè)量電路壓力測(cè)量：差壓傳感器、變面積傳感器、荷重傳感器水分檢測(cè)：糧食、油液位測(cè)量