電容傳感器論文

1、濱江學(xué)院論文報告題目電容式傳感器姓 名學(xué)號20102305911學(xué) 院專業(yè)電子信息工程年 級10級指導(dǎo)老師周欣2013 年 6 月 15 日引言用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電 學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué) 量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有 關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速 度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器， 需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。 力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓 縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些

2、量又 都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的 相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化 相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位 移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率 要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨 率僅達到15卩m數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分 辨率為0.01卩m，比前者提高了兩個數(shù)量級，最大量程為 100 5卩m，因此他在精密小位移測量中受到青睞。對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點:測量范圍大其相對變化率可超過100%;(

3、2) 靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可 達10-7數(shù)量級；(3) 動態(tài)響應(yīng)快因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(4) 穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯 物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以 在咼溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決咼溫 高壓環(huán)境下的檢測難題。電容式傳感器工作原理電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式 物位計的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作 的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組 成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2 neL/lnD/d，

4、式中L為兩筒相互重合部分的長 度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間 介質(zhì)的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低， 這也是電容式傳感器具有使用 方便，結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。電容式傳感器優(yōu)缺點電容器傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好和 對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性強等。缺點是輸 出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的 影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。原理及應(yīng)用電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中 其中的一個參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的

5、。根據(jù)改 變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位 移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時的面積為S。，兩極板間的距離為 d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 為。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，該電容器的電容量為：如果其中一塊板極相對另一極板轉(zhuǎn)過e角，則極板間的相互遮蓋面積為:習(xí)喬電容量也就變化了.其價為:這樣電容科的電睿變代為：必匸。一昭可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積So= ab，當(dāng)2塊極板相對位移x

6、時，則極板的遮蓋面積變?yōu)?Si=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時，電容量分別為:可見，此電容量的變化值和線位移 x成正比，用他來測量各類線位移圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸 齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運動齒相對于固定齒移動一個位移x時，則可得：AC- - -比較式(2)和式(3)可見，靈敏度提高了 n倍2.2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測液位的高度，圖2(b)常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數(shù)。圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器

7、兩極，假定部分浸入被測量液體中(液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理)。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成： 空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由 于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容 C也發(fā) 生變化。這種方法測量的精度很高， 且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容 Ci和空氣介質(zhì)部分電容 C2兩 部分組成:G1 h C 1 EnR/r 十 kfl/r X2酣野.2寵(勺耳)句 InR/r 十InR武中I h 一電容辭的總鬲度,x 電容器浸入液體中的深度;R 同心圓電極的外半徑;r 同心圓電極的內(nèi)半徑;& 被測液體的介電常數(shù);包空氣的介電常數(shù)。當(dāng)容器的尺

8、寸和被測介質(zhì)確定后，則h , R, r, i和& 2均為常數(shù)，令：2衲野r 飯簡一空習(xí)如-麗丁執(zhí)麗廠一則有匸C aa +這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。圖2(b)是在一個固定電容器的極板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為:式中：S 電容器的遮蓋面積;di 被測物體上側(cè)至電極之間的距離；d2 被測物體的厚度；d3 被測物體下側(cè)至電極之間的距離；& 被測物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù);包被測物體的介電常數(shù)；&被測物體下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。由于d i+d 3 = d-d 2 ,且當(dāng) 1 = 3時，式(5)還可寫為:式中d 兩極板之間的距離顯然，在電容器極板的遮蓋面積

9、 S,兩極板之間的距離 d，被測物體上下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)1和 3確定時，電容量的大小就和被測材料的厚度d2及介電常數(shù) 2有關(guān)。如被測材料介電常數(shù) 2已知，就可以測量等厚教材料的厚度d2；或者被測材料的厚度 d2已知，就可測量其介電 常數(shù) 2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數(shù)測量儀的 工作原理。3改變極板間距離的電容傳感器圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構(gòu)成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測物體相連的活動極 板，可上下移動。當(dāng)極板間的遮蓋面積為S,極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為，初始極板間距為 do時，則初始電容 Co為：困*浪宜悝損厠俺n的電弄悔序口示蒐陽當(dāng)活動極板1在被

10、測物體的作用下向固定極板2位移 d時，此時電容C為:當(dāng)電容器的活動極板 1移動極小時，即 dd 0時，上式按泰勒級數(shù)展開為：X = G範(fàn)十經(jīng)十的4的+ 電牡錐電容變化it與拉務(wù)胡 之何表現(xiàn)為非線性 關(guān)系，只有當(dāng)時i通常取=0.血可 去除髙ifc項猖，這時電容器的變化量 C才近似地和位移 d成正比。其相對非線性誤差為：cy$ = X 100% = I X WQ% W顯然，這種單邊活動的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實際應(yīng)用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。兩邊是固定的電極板1和2，中間由彈簧片

11、支承的活動極板3。2個固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓 U隨著活動極板運動而變化。若活動極板的初始位置距2個固定極板的距離均為 do,則固定極板1和活動極板3之 間，固定2和活動極板3之間的初始電容相等，若令其為Co。當(dāng)活動極板3在被測物體作用下向固定極板2移動 d時，則位于中間的活動極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：由上述推導(dǎo)可知，活動極板和 2個固定極板構(gòu)成電容分別為：JiC當(dāng)他們做成差動式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時，其等效電容為：山-G - G - 2C煖 + （沙 I 汐 + .:雖然電容的變化量仍舊和位移d成

12、非線性關(guān)系，但是消除了級數(shù)中的偶次項，使線性得到改善。當(dāng)L時（在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這個條 件），略去高次項，得：捷相對非S!必1A-7=心寧!性盪筮冷為：X 00州= ”竽A X 100% 10）比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了 1倍。比較式（10）和式（8）可見，在叫L 1時，非線性誤差將大大下降。電容式傳感器具有如下特點（1）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單， 易于制造，精度高；可以做得很 小，以實現(xiàn)某些特殊的測量，電容式傳感器一般用金屬作電 極，以無機材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強輻射 及強磁場等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高 壓

13、力、咼沖擊、過載等；能測超咼壓和低壓差。(2) 動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用 能量極小，可動部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻 率高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合 于動態(tài)測量；可以用較高頻率供電， 因此系統(tǒng)工作頻率高。 它 可用于測量高速變化的參數(shù)，如振動等。(3) 分辨率高由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量 低，所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題，如測量極 小的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏， 分辨力非常高，能感受 0.001 pm，甚至更小的位移。(4) 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關(guān)，

14、有利于選 擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定 性也極微小。(5)可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等， 采用非接觸測量時，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測量的影響。不足之處是輸出阻抗高，負載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮 法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流 電源時，輸出阻抗更高，因此傳感器負載能力差，易受外界 干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；寄生電容影響大，電容式傳感器 的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的 雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容