電容式傳感器-精品課程——傳感器與檢測技術(shù)

1、電容式傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，抗過載能力大， 動態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)， 且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工 作。電容式傳感器可用于測量壓力、位移、振動、液位。電容式傳感器工作原理平行板電容器是由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組 成的，如圖所示，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時，其電容量與絕 緣介質(zhì)的介電常數(shù)、極板的有效面積 s以及兩極板間的()距離d有關(guān)，即d若被測量的變化使電容的d、S、三個參量中的一個圖平行板電容器參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化。如果變化的參數(shù)與被 測量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，那么被測量的變化就可以 直接由電容量的變化反映

2、出來。所以電容式傳感器可以分成3種類型：改變極板面積的變面積式、改變極板距離的變間隙式和改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。4.1.1變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的， 稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。根據(jù)動極板相對定極板的移動情況，變面積式電容傳感器又分為直線位移式和角位移式兩種。1.直線位移式其原理結(jié)構(gòu)如圖所示，被測量通過使動極板移動， 引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而使電容量發(fā)生變化。設(shè)動極板相對定極板沿極板長度a方向平移 x時，電容為()式中，Coabab，為電容初始值;電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 C C圖變面積型電容傳感器原理圖Co 7? x C

3、o；電容的相對變化量為圖角位移式電容傳感器原理圖圖差動角位移式電容傳感器原理圖()Coa很明顯，這種傳感器的輸出特性呈線性， 的直線位移。它的靈敏度為因而其量程不受范圍的限制，適合于測量較大()由式（）可知，變面積 式傳感器的靈敏度與極板間 距成反比，適當(dāng)減小極板間 距，可提高靈敏度。同時， 靈敏度還與極板寬度成正 比。為提高測量精度，也常 用如圖所示的結(jié)構(gòu)形式，以 減少動極板與定極板之間的 相對極距可能變化而引起的 測量誤差。2.角位移式圖 中間極板移動變面積式電容傳感器原理圖其工作原理如圖所示。 當(dāng)被測的變化量使動極板有 一角位移時，兩極板間互相覆蓋的面積被改變，從而改變兩極板間的電容量C

4、。0時，初始電容量為:工0時，電容量就變?yōu)椋?CdS( 1 -)。d n由上式可見，電容量 C與角位移呈線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，也采用差動結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。角位移測量用的差動式結(jié)構(gòu)如圖所示。A、B、C均為尺寸相同的半圓形極板。A、B固定，作為定極板，且角度相差180°,C為動極板，置于 A、B極板中間，且能隨著外部輸入的角位移轉(zhuǎn)動。當(dāng)外部輸入角度改變 時，可改變極板間的覆蓋有效面積，從而使傳感器電容隨之改變。C的初始位置必須保證其與A、B的初始電容值相同。4.1.2變間隙式1III1匚|圖基本的變間隙式電容傳感器基本的變間隙式電容傳感器有一個定 極板和一個動極板，如圖所示，當(dāng)動極板

5、隨 被測量變化而移動時，兩極板的間距d就發(fā) 生了變化，從而也就改變了兩極板間的電容 量C。設(shè)動極板在初始位置時與定極板的間S距為do,此時的初始電容量為 Co -，當(dāng)do可動極板向上移動d時，電容的增加量為C亠仝d do doS d d do dCoddo d()上式說明，C與 d不是線性關(guān)系。但當(dāng)dd （即量程遠(yuǎn)小于極板間初始距離）時，可以認(rèn)為 C與 d是線性的。即C EC。()則有ddo()導(dǎo)。傳感器被近似看作是線性時，其靈敏度為CodoCd當(dāng)動極板下移時的電容量C和 C可由學(xué)生自行推()由上式可見，增大S和減小do均可提高傳感器的靈敏 度，但要受到傳感器體積和擊穿電壓的限制。此外，對于

6、同樣大小的d，do越小則 d/do越大，由此造成的非線性誤差也越大。因此，這種類型的傳感器一般用于測量微小 的變化量。在實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性，提高靈敏度及減少 電源電壓、環(huán)境溫度等外界因素的影響，電容傳感器也常 做成差動形式，如圖所示。當(dāng)可動極板向上移動 上電容C1電容量增加，下電容 值分別為ClCoCid。C2電容量減少,d時, 而其電容C2CoC2Sdo dSdod 2d?do 時，1()do此時傳感器的靈敏度為Sdo1do13ddoC1Co2ddoCo(1CodoCo(1C2F)do(胃do洛)do1 (卡7dodo圖 差動結(jié)構(gòu)的變間隙電容傳感器()()()K + 話差動式傳感器的

7、非線性誤差減少了一個數(shù)量級,()與基本結(jié)構(gòu)間隙式傳感器相比， 高了測量靈敏度，所以在實(shí)際應(yīng)用中被較多采用。例1 電容測微儀的電容器極板面積A=28cm2,間隙d=1.1mm，相對介電常數(shù)&& r= x 1o-12F/m求：(1)電容器電容量(2)若間隙減少o.12m m,電容量又為多少而且提3解：（1）C00= 22.5（2）Cx0例2電容傳感器初始極板間隙do=1.2mm,電容量為，外力作用使極板間隙減少求：(1)這測微儀測得電容量為多少(2)若原初始電容傳感器在外力作用后，弓I起間隙變化，測得電容量為 則極板間隙變化了多少變化方向又是如何d117.1do間隙增加了c

8、6;(1 )d96(1 )117.10.216mm。解：（1） Cx=C0 1（2） Co 從t 96Cv 96Xid 1.2即間隙增加了0.03 1 - 1.2117.1 （10.216mm120PF0.03mm。96PF,rA /d 1 8.84 10 12 28 10 4 /1.1 10 10 12FrA / d d=1 8.84 10 12 28 10 4 / 1.1 0.12 10 3= X10-12F4.1.3變介電常數(shù)式其介電常也可以用變介電常數(shù)式電容傳感器的工作原理是：當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時，數(shù)變化，從而引起電容量發(fā)生變化。這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式， 可以用于測量

9、紙張、絕緣薄膜等的厚度, 于測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度，還可以用于測量物位、液位、 移、物體厚度等多種物理量。變介電常數(shù)式傳感器經(jīng)常采用平面式或圓柱式電容器。1.平面式平面式變介電常數(shù)電容傳感器有多種形式，可用于測量位移，如圖所示。圖平面式測位移傳感器假定無位移時,X = 0，電容初始值為當(dāng)有位移輸入時,于Cl、C2并聯(lián)，即介質(zhì)板向左移動,o S o a bdd使部分介質(zhì)的介電常數(shù)改變，則此時等效電容相當(dāng)Co()o a ( b x) r o a xC2-ddr o a x o a x r 1o a xddd12ClCo其中0是空氣介電常數(shù)，由此可見，電容變化量如圖所示為一

10、種電容式測厚儀的原理圖，0C與位移于測量被測介質(zhì)的厚度或介電常數(shù)。兩電極間距為8.86 io ， r是介質(zhì)的介電常數(shù)。x呈線性關(guān)系。它是直板式變介電常數(shù)式的另一種形式， d,被測介質(zhì)厚度為 x,介電常數(shù)為()()可用另一種介質(zhì)的介電常數(shù)為X，該電容器的總電容C等于由兩種介質(zhì)分別組成的兩個電容Cl與C2的串聯(lián)，即SxSCC1C2dxxxSxSG C2SxSxxdxXxd (x ) xdxx圖測厚儀()式中,2n h2n hCi2n(h x) C R22 n x xCRRInInInrrrC C1C22冗（hxxx)2nh2n(）一bx 18)RRRx aInInIn-rrr2兀（x)5均為常數(shù)。

11、blnR r式（）表明，液面計的輸出電容C與液面高度x成線性關(guān)系。例3. 一個用于位移測量的電容式傳感器，兩個極板是邊長為5cm的正方形，間距為1mm，氣隙中恰好放置一個邊長 5cm、厚度1mm、相對介電常數(shù)為 4的正方形介質(zhì)板，該介質(zhì)板d1Q輸入位移為5cm時0S 8.85 10C1 Td1輸入位移為時122412 5210 410 322.1PFC G C20 sid0S2d122541225410 1210 48.85 10 12 410 42 21 10 3 1 10 311.1 44.3 55.4PF8.85例4.電容傳感器初始極板間隙 容量為180PF。d0=1.5mm ,外力作用

12、使極板間隙減少0.03mm ,并測得電可在氣隙中自由滑動。 試計算當(dāng)輸入位移(即介質(zhì)板向某一方向移出極板相互覆蓋部分的距 離)分別為”時，該傳感器的輸出電容值各為多少解：輸入位移為088.4PFs 8.85 10 12 4 52 10 4 10 3求：(1)初始電容量為多少170PF,(2)若原初始電容傳感器在外力作用后，弓I起間隙變化，測得電容量為 則極板間隙變化了多少變化方向又是如何(1) Cx= C0dC C01 忑C0(2)t 170Cxx 176.47PF ,0.0311.5間隙增加了CX1C0C C°(1d C0 Cx1d01.5 0.055mmC0176.47間隙增加了

13、 0.055mm例5.電容測微儀的電容器極板面積A=32cm2,間隙d=1.2mm ,相對介電常數(shù) r 1 ,08.851210 F/m求：(1)電容器電容量(2)若間隙減少，電容量又為多少解：(1)電容器電容量C。0 rA 8.85 10 12 1 32 10 41223.57 10 1223.57PFd1.2 10 3(2)間隙減少后電容量為 CxCx0 r A8.85 10 12 1 32 10426.94 10 1226.94PFdd(1.2 0.15)10 3或另解:CxCod23.57 -1.226.94PFdd1.20.15例6.電容傳感器的初始間隙，d02mm在被測量的作用下間

14、隙減少了500卩m,此時解：因:電容量為120P，則電容初始值為多少Co 0現(xiàn)為電容量cx c0c C0C0C0 1120PFC01201 飛296PF測量電路電容傳感器的輸出電容值一般十分微小，幾乎都在幾皮法至幾十皮法之間，如此小的電容量不便于直接測量和顯示，因而必須借助于一些測量電路，將微小的電容值成比例地轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。根據(jù)電路輸出量的不同，可分為調(diào)幅型電路、脈寬調(diào)制型電路和調(diào)頻型電路。4.2.1調(diào)幅型電路這種測量電路輸出的是幅值正比于或近似正比于被測信號的電壓信號，以下兩種是常見的電路形式。1.交流電橋電路(1)單臂橋式電路。圖所示為單臂接 法交流電橋電路，C0 + C為電

15、容傳感器 的輸出電容，C1、C2、C3為固定電容，將 高頻電源電壓Us加到電橋的一對角上， 電橋的另一對角線輸出電壓 Uo。在電容圖 變壓器交流電橋電路圖 單臂接法交流電橋電路傳感器未工作時，先將電橋調(diào)到平衡狀態(tài)，即C0C2 = C1C3, Uo =0。當(dāng)被測參數(shù)變化而引起電容傳感器的輸出電容變化C時，電橋失去平衡，輸出電壓 Uo隨著 C變化而變化。在單臂接法中，輸出電壓 Uo與被測電容 C之間是非線性關(guān)系。（2）差動接法變壓器交流電橋電路。圖所示為差動接法變壓器交流電橋電路，其中相 鄰兩臂接入差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器。電容傳感器未工作時， Ci = C2 = Co,電路輸出Uo 0。 當(dāng)被測參數(shù)

16、變化時，電容傳感器 Ci變大，C2變小，即()Ci= Co + C， C2 = Co -C，則輸出電壓Uo與C之間的關(guān)系可用下式表示：2U s Z2乙Z2Us2U sZ2 U s Z1乙Z2(CoC)(CoC) Us?Us C(CoC)(CoC)CoZ2乙Zi Z2U sC 2C1C 1C2U s上式表明，差動接法的交流電橋電路的輸出電壓U s Z2Uo與被測電容（）C之間呈線性關(guān)系。2 運(yùn)算放大器式測量電路其電路原理如圖所示。 圖中運(yùn)放為理想運(yùn)算放大器, 為其輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系UoUiCOCx()式中，Co為固定電容；Cx為電容傳感器。s將Cx 代入式（），可得dCoUoU d（）

17、S由式（）可見，采用基本運(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)是電路輸出電壓與電容傳感器的極距成正比，使基本變間隙式電容傳感器的輸出特性具有線性特性。在該運(yùn)算放大電路中， 選擇輸入阻抗和放大增益足夠大的運(yùn)算放大器，以及具有一定精度的輸入電源、固定電容，則可使用基本變間隙式電容傳感器測出o.1 m的微小位移。該運(yùn)算放大器電路在初始狀態(tài)時，若輸出電壓不為零，則電路存在的缺點(diǎn)。因此，在測量中常用如圖所示的調(diào)零電路。在上述運(yùn)算放大器電路中，固定電容Co在電容傳感器Cx的檢測過程中還起到了參比測量 的作用。因而當(dāng)Co和Cx結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料完全相同時，環(huán)境溫度對測量的影響可以得到補(bǔ)償。圖 運(yùn)算放大器式測量電路 圖 調(diào)零電路4

18、.2.2 差動脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示為差動脈沖寬度調(diào)制電路。圖中，Ai、A2為理想運(yùn)算放大器，組成比較器，F(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)基本RS觸發(fā)器，電阻與電容 Ri、Ci和R2、C2分別構(gòu)成充電回路。VDi、Ci和VD2、 C2分別構(gòu)成放電回路，Ur為輸入的標(biāo)準(zhǔn)電源，而將雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出作為電路脈沖輸出。圖差動脈沖寬度調(diào)制電路電路的工作原理：利用傳感器電容充放電， 使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。分析如下：Q 1，Q 0時，A點(diǎn)通過R1對C1充電，同時電容 C2通過VD2迅速放電，使 N點(diǎn)電 壓鉗位在低電平。在充電過程中， M點(diǎn)對地電位

19、不斷升高，當(dāng) UM > Ur時，A1輸出為“-”，即 Rd 0，此時，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使 Q 0，Q 1。Q=0, Q 1時，N點(diǎn)通過R2對C2充電，同時電容 C1通過VD1迅速放電，使 M點(diǎn)電壓 鉗位在低電平。在充電過程中，N點(diǎn)對地電位不斷升高，當(dāng)uN ur時，A2輸出為“-”，即SD 0， 此時，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使 Q = 1，Q 0。此過程周而復(fù)始。電路輸出脈沖由A、B兩點(diǎn)電平?jīng)Q定，高電平電壓為 Uh,低電平為0。波形如圖所示。（a） C1 = C2（ b） C1 > C2圖電路各點(diǎn)的充放電波形當(dāng)C1=C2, R1=R2時，A點(diǎn)脈沖與B點(diǎn)脈沖寬度相同，方向相反，波形如圖（

20、a）所示。當(dāng)Ci增大，C2減小時，Ri、Ci充電時間變長，Q=1的時間延長，ua的脈寬變寬；而 R2、C2充電時間變短，Q=0的時間縮短，ub的脈寬變窄。把 A、B接到低通濾波器，得到與 電容變化相應(yīng)的電壓輸出，即 Uo脈沖變寬。波形如圖（b）所示。當(dāng)Ci減小，C2增大時，Ri、Ci充電時間變短，Q=1的時間縮短，ua的脈寬變窄；而 R2、C2充電時間變長，Q=0的時間延長，ub的脈寬變寬。同樣，把 A、B接到低通濾波器， 得到與電容變化相應(yīng)的電壓輸出，即 Uo脈沖變窄。由以上分析可知，當(dāng) Ci=C2時，兩個電容充電時間常數(shù)相等，兩個輸出脈沖寬度相等，輸出電壓的平均值為零。 當(dāng)差動電容傳感器處

21、于工作狀態(tài)， 即Ci2時，兩個電容的充電時 間常數(shù)發(fā)生變化， Ri、Ci充電時間Ti正比于Ci,而R2、C2充電時間T2正比于C2，這時輸 出電壓的平均值不等于零。輸出電壓為UoT2Uh()當(dāng)電阻Ri = R2 = R時，則有UoCi由此可知，差動脈沖寬度調(diào)制型電路，其輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。()423調(diào)頻電路圖所示為調(diào)頻-鑒頻電路的原理圖。該測量電路把電容式傳感器與一個電感元件配合， 構(gòu)成一個振蕩器諧振電路。當(dāng)傳感器工作時，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大器放大后即可顯示， 這種方法稱為調(diào)頻法。圖調(diào)頻-鑒頻電路原理圖調(diào)頻振蕩

22、器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定:2n LC()式中，L為振蕩回路電感，C為振蕩回路總電容。調(diào)頻型測量電路的主要優(yōu)點(diǎn)：抗外來干擾能力強(qiáng)， 特性穩(wěn)定，且能取得較高的直流輸出信號。電容式傳感器的應(yīng)用隨著新工藝、 新材料的問世， 特別是電子技術(shù)的發(fā)展， 使得電容式傳感器越來越廣泛地 得到應(yīng)用。電容式傳感器可用于測量直線位移、 角位移、振動振幅， 還可測量壓力、 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，以及測量電介質(zhì)的濕度、 密度、厚度等，尤其適合測量高頻振動的振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，在自 動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用作位置信號發(fā)生器。1電容式位移傳感器如圖所示為變面積

23、式位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖， 這種傳感器采用了差動式結(jié)構(gòu)。 當(dāng)測量桿隨 被測位移運(yùn)動而帶動活動電極位移時，導(dǎo)致活動電極與兩個固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變 化，其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。這種傳感器有良好的線性。圖 變面積式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖2電容式壓力傳感器如圖所示為差動電容式壓力傳感器原理圖。 把絕緣的玻璃或陶瓷材料內(nèi)側(cè)磨成球面， 在 球面上鍍上金屬鍍層做兩固定的電極板。 在兩個電極板中間焊接一金屬膜片， 作為可動電極 板，用于感受外界的壓力。 在動極板和定極板之間填充硅油。 無壓力時， 膜片位于電極中間， 上下兩電路相等。加入壓力時， 在被測壓力的作用下，膜片彎向低壓的一邊，從而使一個電 容量增加，另一

24、個電容量減少，電容量變化的大小反映了壓力變化的大小。該壓力傳感器可用于測量微小壓差。圖差動電容式壓力傳感器原理圖3.電容測厚儀圖電容測厚儀工作原理容測厚傳感器。在 變化情況。其工作 置一塊面積相等、就形成上下兩個把兩塊極板用導(dǎo) 材上也引出一根電容式測厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電 板材軋制過程中由它監(jiān)測金屬板材的厚度 原理如圖所示。在被測帶材的上下兩邊各 與帶材距離相同的極板，這樣極板與帶材 電容器Ci、C2 （帶材也作為一個極板） 線連接起來，并用引出線引出，另外從帶引線，即把電容連接成并聯(lián)形式，則電容測厚儀輸出的總電容C = Ci + C2。金屬帶材在軋制過程中不斷向前送進(jìn)， 如果帶材厚度發(fā)生變化，將引起帶材與上下兩個 極板間間距的變化，即引起電容量的變化，如果把總電容量 C作為交流電橋的一個臂，電 容的變化 C引起電橋輸出的變化，然后經(jīng)過放大、檢波、濾波電路，最后在儀表上顯示出帶材的厚度。這種測厚儀的優(yōu)點(diǎn)是帶材的振動不影響測量精度。電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，抗過載能力大， 動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)， 且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工 作。亠一S平行板電容器的電容量是 C ，只要固定3個參量d、S、中的兩個，只要另外d一個參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化，所以電容式傳感