第三章電容傳感器

第三章電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器是將被測參數(shù)變換成電容量的測量裝置。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。工作原理：將被測量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實現(xiàn)測量實質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器應(yīng)用范圍:位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測量+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。設(shè)平板電容器兩極板間距離為δ，有效覆蓋面積為A，極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)ε，真空介電常數(shù)，則電容器的電容量為

一、電容式傳感器工作原理a)極距δ變化型++++++δεS動極板定極板

若極板間距減小△δ，則電容將增大△C。因，忽略高次項

上式表明，在條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。時，展開位級數(shù)形式①欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙δ，但受電容器擊穿電壓的限制；②非線性隨相對位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應(yīng)限制動極板的相對位移量。③為改善非線性，可以采用差動式?！う摩腃1C2

動極板上移Δδ

1，則C1增大，C2減小，初始電容用C0來表示，則：差動電容器輸出：忽略高次項：

靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。b)面積變化型角位移型+++平面線位移型柱面線位移型.C變面積型電容傳感器baδΔx

設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為S，當(dāng)動極板移動△X，則面積S發(fā)生變化，電容量也改變。靈敏度：（主要用來測直線位移、角位移和尺寸等參數(shù)）線位移角位移單組式差動式

平板結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)。

可見變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。①增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；②極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場影響增大，非線性將增大；③△X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。（因為以上的推導(dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。c)介質(zhì)變化型二、變介電常數(shù)型電容傳感器（主要測量厚度、液位、介質(zhì)的溫度和濕度等）xh2r2Rε0ε1類型1：

被測液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。 ε1－液體介質(zhì)介電常數(shù)；

ε0－空氣中介電常數(shù)（F/m）；

h－電極板總長度（m）；

r－內(nèi)電極板外徑（m）；

R－外電極板內(nèi)徑（m）；

x－液面高度（m）。

可見，輸出電容C與液面高度x成線性關(guān)系。液面高度類型2：δd面積S氣隙

當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運動時，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：

d—運動介質(zhì)的厚度（m）可見：①若厚度d保持不變，介電常數(shù)εr改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；②若εr不變，可做成測厚傳感器一、交流電橋電路VZ1Z2Z3Z4?△V?

將電容傳感器接入電橋的一個臂，不平衡電橋輸出：

為使橋路平衡，在四個橋臂上必須接入兩個電容（一個單極電容傳感器和一個固定電容，或接入差動電容傳感器）。另外兩個橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個電阻、兩個電感或是兩個電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時，電路的靈敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，輸出信號相移有0°、±90°、±180°。電路的主要特點： ①必須接成差動形式使用； ②電橋的交流激勵源的幅值和頻率要穩(wěn)定； ③要求后續(xù)電路輸入阻抗無限大。二、差動脈沖寬度調(diào)制電路

差動脈沖調(diào)寬電路利用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。其基本出發(fā)點是構(gòu)成一個頻率穩(wěn)定的方波發(fā)生器，以電容變化來調(diào)節(jié)占空比，由此引起平均直流分量的變化。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比較器循環(huán)工作U0平均值為零U0平均值不為零設(shè)R1=R2與電容差值成正比三、運算放大器式電路

這種線路的最大特點是從原理上克服單個變間隙電容式傳感器的非線性，使輸出與輸入動極板位移成線性關(guān)系。反相放大電路反饋元件是傳感器電容CxC是固定電容電源電壓u理想運放將代入輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，從原理上保證了變極距型電容傳感器的線性?！?-3影響電容式傳感器精度的因素

及提高精度的措施

電容傳感器的特點優(yōu)點:1、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金，近年來又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。2、結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng)：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強(qiáng)輻射，強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境中工作。3、動態(tài)響應(yīng)好：可動部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很高。動態(tài)響應(yīng)好。可測量振動、瞬時壓力等。4、可以實現(xiàn)非接觸測量,具有平均效應(yīng)：非接觸測量回轉(zhuǎn)工件的偏心、振動等參數(shù)時，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對測量的影響。5、耗能低缺點:1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差：電容值一般為幾十到幾百皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對絕緣部分的要求較高（幾十兆歐以上）。2、寄生電容影響大：由于電容傳感器起的初始電容值一般較小，而連接傳感器的引線電纜電容（1~2m導(dǎo)線可達(dá)到800pF），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的“寄生電容”卻較大。這些電容一般是隨機(jī)變化的，將使儀器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。因此，在設(shè)計和制作時要采取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。一、溫度對電容式傳感器的影響

環(huán)境溫度的改變將引起電容式變換器各零件幾何尺寸的改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，產(chǎn)生附加電容變化。這一點對于空間隙電容式傳感器來說更顯重要，因為初始間隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對本來就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對變化，從而引起很大的特性溫度誤差。為減小這種誤差 ①一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金。或極板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來代替。 ②采用差動對稱結(jié)構(gòu)，并在測量線路中對溫度誤差加以補(bǔ)償。

溫度變化對介質(zhì)介電常數(shù)的影響使傳感器電容改變，帶來溫度誤差。溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。這種溫度誤差可用后接的測量線路進(jìn)行一定的補(bǔ)償，而完全消除是困難的。二、漏電阻的影響（絕緣性能）

電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵電壓頻率較低時，在與測量線路配接時，當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與容抗相近，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響。這主要是采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)加以解決。三、邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響1、邊緣效應(yīng)

理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計算的一種假定。當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。①為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間隙。②在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。均勻電場等位環(huán)電極電極邊緣電場邊緣電場

原理：等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外周不影響工作。2、寄生參量

一般電容傳感器電容值很小，如果激勵頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會帶來很大的影響。①.增加原始電容值②.注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）③.將傳感器與電子線路的前置級裝在一個殼體內(nèi)（集成化）減小寄生電容的方法測量電路前置級+?1:1內(nèi)層屏蔽外層屏蔽Cx

在電容傳感器與測量線路前置極間采用雙層屏蔽電纜。這種接法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。④.采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)等電位屏蔽法⑤.采用運算放大器法所謂整體屏蔽是將整個電橋(包括電源、電纜等）統(tǒng)一屏蔽起來，其關(guān)鍵在于正確選取接地點。u0與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容CP/（1+A）⑥.整體屏蔽四、防止和減小外界干擾

注意傳感器的接地和屏蔽增加原始電容值，降低容抗導(dǎo)線分布合理盡可能一點接地盡量采用差動式電容傳感器§4-4電容式傳感器的應(yīng)用量程精度分辨力變極距型0.01~幾百微米0.01m0.001m變面積型零點幾~幾百毫米優(yōu)于0.5%0.01~0.001m一、電容式位移傳感器二、電容式加速度傳感器這里有兩個固定極板，極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向上的直線加速度時，質(zhì)量塊在絕對空間中相對靜止，而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于被測加速度，使c1，c2中一個增大，一個減小。三、電容式壓力傳感器工作原理將測量膜片與電容極板之間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。用

途用于氣體、液體、蒸氣壓力的測量高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器1—高壓側(cè)進(jìn)氣口

2—低壓側(cè)進(jìn)氣口

3—過濾片

4—空腔

5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6—導(dǎo)壓硅油

7—凹形玻璃圓片

8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種電容式差壓變送器外形利用電容差壓變送器測量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh電容差壓變送器用于測量液體的液位

投入式水位計加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。

該油量表可用于飛機(jī)油箱電容式接近開關(guān)

被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。檢測原理：在高頻振蕩型電容式接近開關(guān)中，以高頻振蕩器（LC振蕩器）中的電容作為檢測元件，利用被測物體接近該電容時由于電容器的介質(zhì)發(fā)