第6章電容式傳感器

1、第6章 電容式傳感器6.1 6.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式6.2 6.2 傳感器的等效電路傳感器的等效電路6.3 6.3 傳感器的信號調(diào)理電路傳感器的信號調(diào)理電路6.4 6.4 影響傳感器精度的因素影響傳感器精度的因素6.5 6.5 傳感器應用傳感器應用u工作原理：工作原理：利用電容器的原理，將被測非電量轉(zhuǎn)化為電容量利用電容器的原理，將被測非電量轉(zhuǎn)化為電容量的變化。的變化。u優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、頻響范圍寬、可非接結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、頻響范圍寬、可非接觸測量。觸測量。u缺點：缺點：電容量小，輸出阻抗高；存在寄生電容，導致性能不

2、電容量小，輸出阻抗高；存在寄生電容，導致性能不穩(wěn)定；有的類型傳感器輸出特性為非線性。穩(wěn)定；有的類型傳感器輸出特性為非線性。u應用：應用：位移、振動、加速度、壓力、液位、濕度等。位移、振動、加速度、壓力、液位、濕度等。6.1 6.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式相對介電常數(shù)介質(zhì)、真空中介電常數(shù)、極板間距極板相對覆蓋面積當忽略邊緣效應時00rrdAdAdAC電容式傳感器的電容極板之間存在靜電場。由于極板邊緣效應的存在，使邊緣處的電場分布不均勻，造成電容的邊緣效應，這相當于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個附加電容，邊緣效應不僅使電容式傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因

3、此應盡量減小并消除電容邊緣效應的影響。 根據(jù)電容器變化參數(shù)的不同，分為3種類型： 變間隙式：測量微?。?.01m-零點幾m m ）線位移； 變面積式：測量角位移或較大線位移； 變介電常數(shù)式：測量液位、固體厚度、介質(zhì)濕度、密度。6.1.1 變間隙式電容傳感器dAdACr0000003020000000000000001)()()(1 /1/)ddd(ddCdCSddCCddddddddddddddCCdAddACdACn傳感器靈敏度得近似線性關(guān)系當電容相對變化，電容增量設減小當初始電容母、塑料膜。介電常數(shù)的材料，如云為此，極板間可采用高穿或短路，但容易引起電容器擊應減小可見，要提高靈敏度，0d2

4、2102211021/111ddAddACCCC有了云母片，極板間起始距離可大大減小。差，應增大可見，要減小非線性誤）（則相對非線性誤差）（若考慮線性項與二次項得近似線性關(guān)系00020000000302000000%100|%100|1, 1)()()(1 /1/dddddddddddCCddCCddddddddddddddCC非線性誤差分析非線性誤差分析差動式電容傳感器差動式電容傳感器%100)(22000dddCdCSn非線性誤差傳感器靈敏度差動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：差動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：p靈敏度提高一倍；靈敏度提高一倍；p非線性誤差大大下降；非線性誤差大大下降；p還能減小靜電引力帶來的誤差，改善環(huán)境影響

5、造成的誤差。還能減小靜電引力帶來的誤差，改善環(huán)境影響造成的誤差。6.1.2 6.1.2 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器（1 1）角位移式）角位移式dACCCdACdAC電容增量時，當時，當000)1 (00可見，電容量與角位移成線性關(guān)系可見，電容量與角位移成線性關(guān)系, ,但靈敏度較低。但靈敏度較低。（2 2）直線位移式）直線位移式dbxCSxdbCCCdxbCdxabCdbaCnxx靈敏度000)( 增大極板邊長增大極板邊長b b，減小間隙，減小間隙d d，都可以提高靈敏度。但邊長，都可以提高靈敏度。但邊長a a過大，邊過大，邊緣效應會影響線性特性。緣效應會影響線性特性。6.1.3 6.

6、1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器（1 1）測量液位）測量液位正比于被測液位高度可見，變換器電容增量此時變換器電容dDhCdDhCdDhdDhdDhHdDhCCCln2ln)(2ln)(2ln2ln)(2ln2101121（2 2）測量紙張、絕緣薄膜厚度或糧食、紡織品、木材或煤等非導）測量紙張、絕緣薄膜厚度或糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)濕度電固體介質(zhì)濕度成線性關(guān)系。的移動量質(zhì)可見，電容變化量與介電容相對變化量初始電容總電容量LLLCCCCCdbLCdLLLbCCCrrrr2) 1()(000000000000021221變介電常數(shù)式測線位移變介電常數(shù)式測線位移0 0

7、1 1d d0 0d d1 1如果如果0 0 為空氣介電常數(shù)，為空氣介電常數(shù)， 1 1為待測體介電常數(shù)，當待測體為待測體介電常數(shù)，當待測體介電常數(shù)介電常數(shù)1 1不變時，此時電容傳感器可作為測厚儀。不變時，此時電容傳感器可作為測厚儀。 另外，某些電介質(zhì)是溫度靈敏的，因此可做成用于火災報警另外，某些電介質(zhì)是溫度靈敏的，因此可做成用于火災報警的傳感器裝置。的傳感器裝置。6.2 電容式傳感器的等效電路Rp極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗 Rs引線電阻、電容器支架、極板電阻損耗L電容器本身電感和外部引線電感 因此，它有一個諧振頻率，傳感器要正常工作，應選擇低于傳感器諧振頻率的工作頻率，否則，電容器不能正常工作

8、。6.3 6.3 電容式傳感器的信號調(diào)理電路電容式傳感器的信號調(diào)理電路 1. 電橋電路電橋電路2.2.調(diào)頻電路調(diào)頻電路3.3.諧振電路諧振電路4.4.運算放大器電路運算放大器電路5.5.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路6.6.正反饋同相積分電路正反饋同相積分電路To Two目的：傳感器電容值及電容變化量均非常微小，必須通過信號調(diào)理電路將微小電容變換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。1. 1. 電橋電路電橋電路濾波濾波K相敏相敏檢波檢波L1L2C1C2To 4.2.3C1C1、C2C2是差動電容傳感器的兩個電容，另外兩個臂可以是電阻、是差動電容傳感器的兩個電容，

9、另外兩個臂可以是電阻、電感、電容，也可以是變壓器的兩個次級線圈。當電源電壓電感、電容，也可以是變壓器的兩個次級線圈。當電源電壓恒定時，電橋輸出電壓與電容傳感器輸入位移成正比。恒定時，電橋輸出電壓與電容傳感器輸入位移成正比。 電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，且寄生電容影響小，因此簡化屏蔽和接地，適于高頻工作，應用很廣泛。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。00ddEU 將傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，調(diào)頻振蕩器的諧振頻率f為當輸入量使電容量發(fā)生變化后，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化，通過鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化為振幅的變化，經(jīng)放大后用儀表指示。特點：抗外界干擾強，特性穩(wěn)定。

10、LCf21To 4.2.3調(diào)頻振調(diào)頻振蕩器蕩器傳感器傳感器混頻器混頻器限幅限幅放大器放大器鑒頻器鑒頻器非線性非線性校正校正輸出輸出 f0fz調(diào)頻振調(diào)頻振蕩器蕩器fb直放式調(diào)頻電路方框圖直放式調(diào)頻電路方框圖ffCCCLLCfCCCLCCCLf02010212010)C(2121)(21器的振蕩頻率被測量不為零時，振蕩：傳感器初始電容：傳感器引線分布電容：振蕩回路固定電容：振蕩回路電感調(diào)頻振蕩器的固有頻率3. 3. 諧振電路諧振電路 將傳感器電容將傳感器電容C C3 3作為諧振回路調(diào)諧電容（作為諧振回路調(diào)諧電容（L L2 2、C C2 2、C C3 3）一部分。）一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)

11、定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容感器電容C3C3變化時，使得諧振回路阻抗發(fā)生相應變化，而這個變化變化時，使得諧振回路阻抗發(fā)生相應變化，而這個變化又表現(xiàn)為整流器電流變化。該電流經(jīng)過放大后即可指示出輸入量的又表現(xiàn)為整流器電流變化。該電流經(jīng)過放大后即可指示出輸入量的大小。大小。特點：特點：靈敏度高；靈敏度高；缺點：工作點不易選取，變化范圍較窄；傳感器與諧振回路要缺點：工作點不易選取，變化范圍較窄；傳感器與諧振回路要離得較近，否則電纜雜散電容對電路影響大；要求振蕩器頻率離得較近，否則電纜雜散電容對電路影響大；要求振蕩器頻率穩(wěn)定，否則對測

12、量精度影響大。穩(wěn)定，否則對測量精度影響大。4. 4. 運算放大器式電路運算放大器式電路 特點：特點： 能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使VX 成線性關(guān)系成線性關(guān)系。To 4.2.3iu 0CxCou oIxII-K5. 5. 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 6.4 6.4 影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施 To Two6.4.1. 6.4.1. 溫度的影響溫度的影響1) 對結(jié)構(gòu)尺寸的影響對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 原因：溫度變化引起部分零件尺寸變化，導致極板間隙或面積變化，原因：溫度變化引起部分零件尺寸變化，導致極板

13、間隙或面積變化，產(chǎn)生附加電容產(chǎn)生附加電容。 制造時，選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料，如陶瓷或石英上制造時，選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料，如陶瓷或石英上噴鍍一層金屬作為電極。噴鍍一層金屬作為電極。 2) 對介電常數(shù)的影響對介電常數(shù)的影響 原因：介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，產(chǎn)生附加電容。原因：介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，產(chǎn)生附加電容。 可由后續(xù)測量線路進行補償，但不可完全消除。可由后續(xù)測量線路進行補償，但不可完全消除。使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降輸出產(chǎn)生零位漂移輸出產(chǎn)生零位漂移To Two6.4.2 6.4.2 漏電阻漏電阻l選用絕緣性能良好的材料作兩極板支架，如陶瓷

14、、石英等；l采用高的激勵電源頻率，降低傳感器內(nèi)阻抗。 電容式傳感器的電容量很小，如果激勵頻率較低時，內(nèi)阻抗就很高，所以電容式傳感器的電容量很小，如果激勵頻率較低時，內(nèi)阻抗就很高，所以絕緣問題就很突出。一般的絕緣電阻將被看做是對電容式傳感器的一個絕緣問題就很突出。一般的絕緣電阻將被看做是對電容式傳感器的一個旁路，與之并聯(lián)，稱為漏電阻。旁路，與之并聯(lián)，稱為漏電阻。使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降非線性增加非線性增加To Two6.4.3 6.4.3 邊緣效應邊緣效應l增大初始電容，即增大極板面積或減小極板間距l(xiāng)加裝等位環(huán)，使之與極板具有相同的電位使邊緣效應發(fā)生在等位環(huán)外圍寄生電容：寄生電容：電

15、容器極板與周圍物體、連接電纜之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。電容器極板與周圍物體、連接電纜之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。危害：危害：使傳感器電容改變，導致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來干擾。使傳感器電容改變，導致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來干擾。To Two6.4.4 6.4.4 寄生電容的影響寄生電容的影響l措施：將后續(xù)電路的前級放置在緊靠傳感器的地方，以盡量減少電纜長度及位置變化帶來的影響（集成化）。l驅(qū)動電纜法（等電位屏蔽法）因為寄生電容的根本原因是電容傳感器的因為寄生電容的根本原因是電容傳感器的兩極板引出線之間存在電位差所造成。兩極板引出線之間存在電位差所造成。l采用雙層屏蔽導線，采用雙層屏蔽導線， 采用一個采用

16、一個1:11:1的驅(qū)的驅(qū)動放大器，輸入端接芯線，輸出端接內(nèi)屏動放大器，輸入端接芯線，輸出端接內(nèi)屏蔽線，由于放大器使芯線和內(nèi)屏蔽線等電蔽線，由于放大器使芯線和內(nèi)屏蔽線等電位，從而消除連線分布電容的影響。位，從而消除連線分布電容的影響。l一般用于當電容傳感器的電容值很小，一般用于當電容傳感器的電容值很小，而因某些原因，測量電路只能與傳感器分而因某些原因，測量電路只能與傳感器分開時，可采用這種方法。開時，可采用這種方法。l整體屏蔽法將整個電橋用一個統(tǒng)一的屏蔽罩保護起來將整個電橋用一個統(tǒng)一的屏蔽罩保護起來1.1.電容式測微儀電容式測微儀 用以測量金屬表面狀況、距用以測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等參

17、數(shù)，一般采用離尺寸、振幅等參數(shù)，一般采用單極式變間隙電容傳感器單極式變間隙電容傳感器, ,即被即被測物體作為傳感器的一個極板，測物體作為傳感器的一個極板，另一個極板在傳感器內(nèi)，最小檢另一個極板在傳感器內(nèi)，最小檢測量為測量為0.010.01m m。6.5 6.5 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用2.2.差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器To Two（動電極）（動電極）（固定電極）（固定電極）（固定電極）（固定電極） 當被測壓力或壓差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，形成一個差動式極距型傳感器。3.3.電容式液位傳感器電容式液位傳感器4.4.硅電容式加速度傳感器硅電容式加速度傳感器 當有加速度施加

18、時，活動極板（質(zhì)量塊）將產(chǎn)生微小位移，引起電容變化，此由開關(guān)電容電路檢測形成兩路脈寬調(diào)制信號。而這種脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生的靜電力總是阻值活動電極偏離零位，且與加速度成正比。6.6 小結(jié)小結(jié)電容式傳感器有如下特點電容式傳感器有如下特點 參數(shù)變化大、極低的內(nèi)耗性能參數(shù)變化大、極低的內(nèi)耗性能 、高的動態(tài)響應。、高的動態(tài)響應。To Two 電容式傳感器電容式傳感器缺點缺點 寄生電容影響大、非線性。寄生電容影響大、非線性。 本章需掌握的重點本章需掌握的重點 1 1）工作原理及結(jié)構(gòu)型式；）工作原理及結(jié)構(gòu)型式； 2 2）C C的特性；的特性； 3 3）等效電路；）等效電路； 4 4）影響精度的因素及提高精度的措施；）影響精度的因素及提高精度的措施； 5 5）信號調(diào)節(jié)電路。）信號調(diào)節(jié)電路。如圖如圖4 4，某單組式變面積型圓柱形結(jié)構(gòu)線位移電容傳感器，外圓筒，某單組式變