電容傳感器論文

1、濱江學(xué)院論文報(bào)告題目電容式傳感器姓 名學(xué)號(hào)20102305911學(xué) 院專(zhuān)業(yè)電子信息工程年 級(jí)10級(jí)指導(dǎo)老師周欣2013 年 6 月 15 日引言用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)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(chēng)為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有 關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱(chēng)為傳感器，而被測(cè)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(chēng)為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無(wú)源變換器， 需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)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(wú)不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些

2、量又 都是通過(guò)長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)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(cè)量極小距離或位 移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率 要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨 率僅達(dá)到15卩m數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分 辨率為0.01卩m，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為 100 5卩m，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類(lèi)傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn):測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過(guò)100%;(

3、2) 靈敏度高如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可 達(dá)10-7數(shù)量級(jí)；(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)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(wú)機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以 在咼溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)幅射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決咼溫 高壓環(huán)境下的檢測(cè)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(chēng)為電容式物位計(jì)，電容式 物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作 的，電容器由兩個(gè)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(shí)，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(zhǎng) 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(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)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(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和 對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸 出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)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(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(lèi)：2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器圖1是3種這類(lèi)傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位 移來(lái)改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)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(shí)，該電容器的電容量為：如果其中一塊板極相對(duì)另一極板轉(zhuǎn)過(guò)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(jià)為:這樣電容科的電睿變代為：必匸。一昭可見(jiàn)，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來(lái)測(cè)量角位移。圖1(b)中是利用線位移來(lái)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(duì)位移x

6、時(shí)，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(shí)，電容量分別為:可見(jiàn)，此電容量的變化值和線位移 x成正比，用他來(lái)測(cè)量各類(lèi)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(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得：AC- - -比較式(2)和式(3)可見(jiàn)，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(lái)檢測(cè)液位的高度，圖2(b)常用來(lái)檢測(cè)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(cè)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(cè)量的精度很高， 且不受周?chē)h(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(cè)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(cè)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(jiǎn)一空習(xí)如-麗丁執(zhí)麗廠一則有匸C aa +這說(shuō)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(gè)固定電容器的極板之間放入被測(cè)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(cè)物體上側(cè)至電極之間的距離；d2 被測(cè)物體的厚度；d3 被測(cè)物體下側(cè)至電極之間的距離；& 被測(cè)物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù);包被測(cè)物體的介電常數(shù)；&被測(cè)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(shí)，式(5)還可寫(xiě)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(cè)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(shí)，電容量的大小就和被測(cè)材料的厚度d2及介電常數(shù) 2有關(guān)。如被測(cè)材料介電常數(shù) 2已知，就可以測(cè)量等厚教材料的厚度d2；或者被測(cè)材料的厚度 d2已知，就可測(cè)量其介電 常數(shù) 2。這就是電容式測(cè)厚儀和電容式介電常數(shù)測(cè)量?jī)x的 工作原理。3改變極板間距離的電容傳感器圖3是這類(lèi)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(cè)物體相連的活動(dòng)極 板，可上下移動(dòng)。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(shí)，則初始電容 Co為：困*浪宜悝損厠俺n的電弄悔序口示蒐陽(yáng)當(dāng)活動(dòng)極板1在被

10、測(cè)物體的作用下向固定極板2位移 d時(shí)，此時(shí)電容C為:當(dāng)電容器的活動(dòng)極板 1移動(dòng)極小時(shí)，即 dd 0時(shí)，上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)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(shí)i通常取=0.血可 去除髙ifc項(xiàng)猖，這時(shí)電容器的變化量 C才近似地和位移 d成正比。其相對(duì)非線性誤差為：cy$ = X 100% = I X WQ% W顯然，這種單邊活動(dòng)的電容傳感器隨著測(cè)量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高這類(lèi)傳感器靈敏度、提高測(cè)量范圍和減小非線性誤差，常做成差動(dòng)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(dòng)極板3。2個(gè)固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動(dòng)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(dòng)極板運(yùn)動(dòng)而變化。若活動(dòng)極板的初始位置距2個(gè)固定極板的距離均為 do,則固定極板1和活動(dòng)極板3之 間，固定2和活動(dòng)極板3之間的初始電容相等，若令其為Co。當(dāng)活動(dòng)極板3在被測(cè)物體作用下向固定極板2移動(dòng) d時(shí)，則位于中間的活動(dòng)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(dòng)極板和 2個(gè)固定極板構(gòu)成電容分別為：JiC當(dāng)他們做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jí)數(shù)中的偶次項(xiàng)，使線性得到改善。當(dāng)L時(shí)（在微小量檢測(cè)中，如線膨脹測(cè)量等，一般都能滿足這個(gè)條 件），略去高次項(xiàng)，得：捷相對(duì)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(jiàn)，靈敏度提高了 1倍。比較式（10）和式（8）可見(jiàn)，在叫L 1時(shí)，非線性誤差將大大下降。電容式傳感器具有如下特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于制造，精度高；可以做得很 小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電 極，以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射 及強(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)載等；能測(cè)超咼壓和低壓差。(2) 動(dòng)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(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻 率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合 于動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)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(lái)解決輸入能量低的問(wèn)題，如測(cè)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(wú)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(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等， 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。不足之處是輸出阻抗高，負(fù)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(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)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(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