1、第四章第四章 電容式傳感器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，將非電利用電容器的原理，將非電量轉化為電容量，進而實現非電量到電量的量轉化為電容量，進而實現非電量到電量的轉化。轉化。電容式傳感器應用：已在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉速和流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應用。電容式傳感器的特點：精度(0.01%,250mm量程的位移傳感器精度可達5微米)和穩定性也日益提高，電容式傳感器作為頻響寬、應用廣和非接觸測量的一種傳感器，很有發展前途。第一節第一節 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金屬平板忽略邊緣效應時,其電容量為0

2、為真空介電常數，0=8.85x10-12,F/m;r為介質的相對介電常數， r= /0; 保持三個參數中的兩個不變,則電容就是其中一個參數的單值函數. 根據發生變化的參數的不同，電容式傳感器相應地分為以下三種類型。 1. 角位移式 當 時，初始電容量為0dSC當 時，電容量就變為0)1 (dSdSC 根據動極板相對定極板的移動情況，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與角位移呈線性關系。2. 2. 直線位移式直線位移式)1 ()1 ()(0axCaxdbadxabCdbaCxaxCxCCxCK000)(0 當被測量的變化引起動極板移動距離時，則S發

3、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系， 其測量的靈敏度為 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。 需要說明的是，位移不能太大，否則邊緣效需要說明的是，位移不能太大，否則邊緣效應會使傳感器的特性產生非線性變化。應會使傳感器的特性產生非線性變化。 變面積型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，常用來檢測位移等參

4、數。式，常用來檢測位移等參數。 dbxCK二、變間隙型二、變間隙型1. 1. 基本結構基本結構 設動極板在初始位置時與定極板的間距為d0。此時的初始電容量為00dSC 當被測量的變化引起間距減小了d時，電容量就變為 000000111ddCdddSddSCC00001ddddddCC10dd當 時：00ddCC2000dSdCdCK由上式可見，增大S和減小d0均可提高傳感器的靈敏度，但受到傳感器體積和擊穿電壓的限制。此外，對于同樣大小的d， d0越小則 越大，由此造成的非線性誤差也越大。0dd00001ddddddCC10dd只有當時 ，才能近似為線性關系當傳感器被近似看做線性時，其靈敏度為2

5、. 2. 差動結構差動結構dd0dd0其電容分別為其電容分別為 )1 ()(111102020000001ddddCddCdddSddSC)1 ()(111102020000002ddddCddCdddSddSC 則當 時，電容總的相對變化量為 0dd 002102ddCCCCC由此可求出傳感器的靈敏度為200022dSdCdCKdd0dd02000dSdCdCK200022dSdCdCK 差動結構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數量級。所以在實際應用中大都采用差動式結構. 基本結構差動結構三、變介電常數型三、變介電常數型變介電常數型電容傳感器常用來檢測容器變介電常數型電

6、容傳感器常用來檢測容器中液面的高度，或片狀材料的厚度等。中液面的高度，或片狀材料的厚度等。 下面通過兩種應用，介紹此類電容傳感器下面通過兩種應用，介紹此類電容傳感器的原理。的原理。 1. 1. 電容式液面計電容式液面計 21CCCrRxhCln)(21rRxCxln22電容器總電容:介質為氣體部分的電容:介質為液體部分的電容:h 為電極高度; R 為外電極的內半徑; r 為內電極的外半徑.bxaxrRrRhrRxxhCxxln)(2ln2ln)(2rRhaln2rRbxln)(2液面計的輸出電容C與液面高度 成線性關系。x 2. 2. 電容式測厚儀電容式測厚儀該電容器的總電容C等于兩種介質分別

7、組成的兩個電容C1與C2的串聯，即xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCCCxxxxxxxx)(2121 第二節第二節 電容式傳感器應用中電容式傳感器應用中存在的問題及其改進措施存在的問題及其改進措施 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、高濕及高頻激勵條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應的影響時其等效電路為RP低頻損耗并聯電阻，它包含極板間漏電和介質損耗；RS高溫、高濕、高頻激勵工作時的串聯損耗電阻，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；CP寄生電容2222)1 (1)(1LCCLCCCCLCCCeLCKdCCKceee21/dCCKc/電容傳

8、感器的等效靈敏系數為在較低頻率下使用時，L和RS可忽略，只考慮RP對傳感器的分路作用；當使用頻率增高時，尤其要考慮L的影響，此時傳感器的等效電容為eCCjLjCje11LCCCe21 電容傳感器的靈敏度 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，因此每當改變激勵頻率或更換傳輸電纜時，都必須對測量系統重新進行標定。LCKdCCKceee21/ 二、邊緣效應 理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板相互覆蓋的空間，但實際上，在極板的邊緣附近，電氣分布是不均勻的，這種現象叫電場的邊緣效應。 這種電場的邊緣效應相當于傳感器并聯了一個附加電容，其結果使傳

9、感器的靈敏度下降和非線性增加1、增大初始電容量；即增大極板面積和減小極板間距。減小邊緣效應的方法：2、加裝等位環。G等位環。A和G是一同心的環面，兩者的間隙越小越好，使用時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，但有時難以實現，這時就必須加入適當的電子線路。 加裝等位環的電容器有效地抑制了邊緣效應，但也增加了加工工藝難度。三、寄生電容的影響寄生電容:任何兩個導體之間均可構成電容聯系。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生電容聯系。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

10、可能導致傳感的電容量發生明顯的變化，而且寄生電容極不穩定，還會導致傳感器特性的不穩定,對傳感器產生嚴重的干擾.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，也會產生不同的寄生電容，造成傳感器的靈敏度下降和特性不穩定。目前解決這一問題的有效方法是采用驅動電纜技術，也稱雙層屏弊等電位傳輸技術。 為了克服上述寄生電容的影響，必須對傳感器進行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼體內，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。驅動電纜技術(雙層屏蔽等電位傳輸技術)基本思路:將電極引出線進行內外雙層屏蔽,使內層屏蔽與引出線的電位相同,從而

11、消除了引出線對內層屏蔽的容性漏電（寄生電容）,而外層屏蔽仍接地而起屏蔽作用，防止外電場干擾。 驅動電纜技術的線路復雜,要求高,但傳感器的電容量變化為1PF時仍能正常工作.“驅動電纜”:由于屏蔽電纜上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓。 四、溫度的影響四、溫度的影響1. 溫度對結構尺寸的影響 電容傳感器由于極板間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感.在傳感器各零件材料線膨脹系數不匹配的情況下,溫度變化將導致極間隙有較大的相對變化,從而產生很大的溫度誤差. 環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出與被測輸入量的單值函數關系，從而產生溫度干擾誤差（簡稱溫度誤差）。這種影響主要有以下兩個方面：定極板厚度為g0

12、絕緣件厚度為b0動極板至絕緣件底部的殼體長為a0各零件材料的線膨脹系數分別為abgaaa、dddgbadt00000由此引起的溫度誤差et 為 tagabaadtagabaadddegbagbattt)()(00000000tt0當 由此可見，消除溫度誤差的條件為由此可見，消除溫度誤差的條件為0000gbaagabaa 此外，在制造電容傳感器時，一般要選用溫度膨脹系數小，幾何尺寸穩定的材料。000、bg、aaadCabg、 可見,在設計電容傳感器時,要盡量的滿足補償條件。 例如電極的支架選用陶瓷材料要比塑料或有機玻璃好；電極材料以選用鐵鎳合金為好；近年來采用在陶瓷或石英上噴鍍一層金屬薄膜來代替

13、電極，效果更好。 減小溫度誤差的另一常用措施是采用差動對稱結構，在測量電路中加以補償。2. 2. 溫度對介質的影響溫度對介質的影響 例如，煤油的介電常數的溫度系數可達0.07%/ 0C；若環境溫度變化500C，則將帶來7%的溫度誤差，故采用此類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。 溫度對介電常數的影響隨介質不同而異，空氣及云母的介電常數溫度系數近似為零， 而某些液體介質，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數的溫度系數較大。設:Z1Z2，則當差動電容中的動極板移動d時，交流電橋的輸出電壓為:002CCUUAC式中，C0為C1C2 時的電容，C為差動電容變化量。 第三節 測量電路一、電橋型電路交流電橋

14、平衡時：211221ddCCZZ 用穩頻、穩幅和固定波形的低阻信號源去激勵，電橋輸出電壓經放大，相敏整流后得到直流的輸出信號。二、雙二、雙T T電橋電路電橋電路U1高頻對稱方波電源+則RL上的平均電流為零，RL上輸出電壓為0.在電源的正半周時：在電源的負半周時：若在下一個電源的正半周時：2121RRCC)()()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動毫安表或微安表。測量的非線性誤差很小，適用于高速機械運動量的測量。可用提高激勵方波頻率的辦法提高傳感

15、器的頻率響應。若則經RL的平均電壓為：iiiCjIUxxCjIU0 xiIIxiiCCUU0dSCxdSCUUii0由虛短：由虛斷：由上三式得：三、運算放大器電路理想運算放大器： 虛短和虛斷CX為電容傳感器 由此可知輸出電壓與動極板位移呈線性關系。所以此電路從原理上解決了變極距式的非線性問題。 但上述結論是在理想的條件下得到的，實際的輸出仍有一定的非線性。但當放大器的放大倍數及輸入阻抗足夠大時，誤差很小。dSCUUii0 此外， 還與 有關。因此還要求 必須穩定， 必須采用穩壓措施。SCUii、0UiUiCA1、A2比較器；R1、R2充電電阻； R1=R2UF參考電壓；C1、C2傳感器差動電容

16、 四、脈寬調制型測量電路初始狀態時：C1=C2U0=0時，當2121CCCCA、B兩點的平均電壓不再相等，此時直流輸出電壓就等于A、B兩點的平均電壓之差，經推導可得 121210UCCCCU 脈寬調制型測量電路具有線性輸出的特性。這是脈寬調制型測量電路的重要優點。此外，該電路的輸出信號一般為100kHZ1MHZ的高頻矩形波，只需簡單地經由低通濾波器就可獲得直流輸出。1021,UCCUCCCCCC121210UCCCCU五、調頻型測量電路 把電容式傳感器接入高頻振蕩器的振蕩回路中，當傳感器的輸出電容量在被測量作用下發生變化時，振蕩器頻率亦相應地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調制，故稱調頻型

17、。 調頻型測量電路的主要優點是抗外來干擾能力強，特性穩定，且能取得較高的直流輸出信號。 在實現了電容到頻率的轉換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉換為幅度的變化，經放大后輸出，進行顯示和記錄；也可將頻率信號直接轉換成數字輸出，用以判斷被測量的大小。 第四節第四節 電容傳感器應用舉例電容傳感器應用舉例 電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(可測至0.05m的微小振幅) ，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度和加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度及電介質的濕度、密度和厚度等。在自動檢測和控制系統中也常被用作位置信號發生器。1

18、. 1. 差動式電容壓力傳感器差動式電容壓力傳感器特點：由兩個相同的可變電容組成1、可以實現過載保護；2、靈敏度高、線線好；3、加工困難，不易實現對被測氣體或液體的密封；因此這種結構的傳感器不宜于工作在含腐蝕或其他雜質的流體中。 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質量塊； 電容的差值正比于被測加速度。 彈簧片較硬，使得系統的固有頻率較高，從而構成慣性式加速度計的工作狀態。 由于采用空氣阻尼，氣體粘度的溫度系數比液體小得多，因此這種加速傳感器的精度較高，頻率響應范圍寬，量程大。 3. 3. 電容式料位傳感器電容式料位傳感器 由于固體摩擦力較大，容易滯

19、留，所以一般采用單電極式電容傳感器 用電容傳感器測量固體塊狀、顆粒體及粉狀料位的情況。dDHCln)(20 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位移傳感器，它的平面測端電極1是電容器的一極，通過電極座4連接引線接入電路，另一極是被測物表面。金屬殼體3與平面測端電極1間有絕緣襯塞2使彼此絕緣。使用時金屬殼體3為夾持部分，被夾持在標準臺架或其他支承上。金屬殼體3接大地可起屏蔽作用。1、電容式傳感器采用 作為傳感元件，將非電量的 變化轉換為 的變化。3、電容式傳感器常用的轉換電路有： 、 、運算放大器電路、 和 等 。2、根據工作原理的不同，電容式傳感器可分為 、 和

20、 三種。 電容器電容變面積型變間隙型變介電常數型電橋型電路雙T電橋電路脈寬調制型電路 練 習4、電容式傳感器有什么特點？試舉出你所知道的電容傳感器的實例。 電容式傳感器的精度和穩定性較高，頻響寬、應用廣和非接觸測量，很有發展前途。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注意什么問題？6、為什么說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：采用差動式結構：200022dSdCdCK 采用差動式結構或增大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時當10dd差動式結構，采用運算放大電路的測量電路7、變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如圖所示。傳感器的起始電容量 ，定動極板距離 , 運算放大器為理想放大器（即 ）， 極大，輸入電壓 V。求當電容傳感器動極板上輸入一位移量 使 減小時，電路輸出電壓 為多少？pFCx200mmd5 . 10pFC100iZK，tuisin5mmx15. 00ufR0Ciu0uNfRxC題7圖0ddSCUUi008、 正方形平板電容器，極板長度 ，