KC04040307-m06-電容式傳感器的設(shè)計要點.

1、傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第1頁/共5頁電容式傳感器的設(shè)計要點一、電容式傳感器的特點1 1 優(yōu)點（1 1）溫度穩(wěn)定性好電容傳感器的電容值，對電極而言，與電極的材料無關(guān)， 僅取決于電極的尺寸；對介質(zhì)而言，如果采用空氣介質(zhì)，其介質(zhì)的能量損耗很小。因此，電容自身的發(fā)熱極小。選取基板 材料時，只需要從基板強度、溫度系數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸上考慮，而其它因素對電容值影響很小。而電阻式傳感器有電阻元件， 故供電后發(fā)量熱量大； 電感式傳感器存在銅損耗、 磁滯和 渦流損耗等，引起電感發(fā)熱。這些發(fā)熱都會使傳感器產(chǎn)生溫度漂移，也叫溫漂或零漂，故溫度穩(wěn)定性不好。（2 2）結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強從結(jié)構(gòu)上看，電

2、容結(jié)構(gòu)為：兩個金屬極板，兩根電極引線，極板間沖絕緣介質(zhì)，絕緣介 質(zhì)可以是空氣。故結(jié)構(gòu)非常簡單，易于制造。電容式傳感器能夠在高溫、低溫、強輻射及強磁場等惡劣環(huán)境中工作， 故適應(yīng)能量很強。 尤其可以在環(huán)境溫差大、高壓力和高沖擊力的環(huán)境中，都能正常工作。它能測量高壓和低壓 差，能對帶磁工件進行測量。電容式傳感器可以尺寸可以做的很小， 以便能在有特殊要求的 環(huán)境中測量。（3 3）動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器的固有頻率很高，故其動態(tài)響應(yīng)時間很短。其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率給予供電。因此電容式傳感器的系統(tǒng)工作頻率高。電容式傳感器可用于測量高速變化的參數(shù)，比如測量振動、瞬時壓力等。（4 4）可實現(xiàn)非接觸測量，具

3、有平均效應(yīng)當被測工件不允許接觸式測量時，可以采用電容式傳感器對其進行測量。當采用非接觸測量時， 由于電容極板有一定的面積， 是面非接觸，故電容式傳感器具有 平均效應(yīng)，它的測量是對被測面到極板的平均距離的一個結(jié)果。這樣，可以減小工件表面粗糙度對測量的影響。2 2 缺點（1 1）輸出阻抗高，帶負載能力差電容式傳感器的容量受到電極幾何尺寸等的限制，不易做大，一般為幾十JF到幾百JF。因此，電容式傳感器的輸出阻抗高，帶負載能量差。這種電路易受外接干擾，使電路不穩(wěn)定，甚至無法正常工作。 這里和前面講的電容不易受環(huán)境影響是沒有矛盾的，前面將的電容值C不易受環(huán)境影響，而這里講的是容抗Xc易受環(huán)境影響。故不矛

4、盾。c因此，必須對傳感器電路采取屏蔽措施，但這會給設(shè)計、制造和使用帶來諸多不便。因為電容器的容抗大，故要求傳感器絕緣部分的絕緣電阻值極高，一般在幾十兆歐以上，否則，絕緣部分就將作為電容的旁路電阻進行分流，影響儀器性能。為此，要特別注意傳感 器周圍的溫度、濕度和清潔度，這些都會影響傳感器的絕緣電阻。若采用高頻供電，可降低傳感器的輸出阻抗，但是，高頻電路的信號放大、傳輸都遠比低頻電路復(fù)雜，且寄生電容影響對電路影響很大，不易保證電路工作的穩(wěn)定性。（2 2）寄生電容影響大電容器上的寄生電容是指，連接電容式傳感器和電子線路的引線上存在的引線電容（電傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第2頁/

5、共5頁纜電容，1-2m1-2m 導(dǎo)線就可達 800800pF）、電子線路的雜散電容和傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等。寄生電容較大，而傳感器的初始電容量較小， 故這大大降低了傳感器的靈敏度。 寄生電容常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此，對電線的選擇、安裝和接法都有嚴格的要求。比如，可以選用屏蔽性好而自身分 布電容小的高頻電纜作為引線，弓I線盡可能地粗而短。（3 3）輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖然可以采用差分型電容來改善，但非線性依然存在而不能消除。其它類型的電容傳感器只有在忽略掉電場邊緣效應(yīng)（極板邊緣電場線呈發(fā)散狀， 不均勻）的情況下，輸

6、出特性才呈線性。否則，邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量疊加， 使輸出特性呈現(xiàn)非線性。二、保護絕緣材料的絕緣性能環(huán)境溫度的變化會使電容式傳感器內(nèi)各零部件的幾何尺寸變化，從而使它們的相對位置發(fā)生改變；同時，溫度變化會使介質(zhì)的介電常數(shù)改變。這樣使電容值發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度誤 差。濕度也會影響介質(zhì)的介電常數(shù)。因此，盡量采用空氣、云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零的物質(zhì)作為絕緣介質(zhì)。而且，非常好的是，濕度不會影響它們的介電常數(shù)。溫度和濕度還會影響絕緣材料的絕緣性能，使絕緣電阻改變。金屬極板應(yīng)選用溫度系數(shù)低的材料。 鐵鎳合金溫度系數(shù)小， 但較難加工?？梢栽谔沾苫?石英的表面上噴涂鐵鎳合金或銀， 這樣

7、的電極可以做得很薄， 大大減小邊緣效應(yīng)， 而且溫度 系數(shù)很小。在電容式傳感器內(nèi)，電容極板（簡稱電極）表面的清潔程度直接影響電容的絕緣電阻， 因此應(yīng)保持其表面的清潔。但是，其表面不便經(jīng)常清洗，故應(yīng)加以密封，用以防潮和防塵。 如果加密封不方便，那么可以在極板表面上鍍一層薄的惰性金屬，比如銠等，這樣去密封極板。銠惰性層可防潮、防塵、防濕和防腐等作用，但銠是稀有金屬，鍍銠成本較高。電極支架的選取主要考慮機械強度和溫度性兩方面因素。為固定和支撐電極，則要求支架應(yīng)具備一定的機械強度。為提高靈敏度，則要求支架材料的溫度系數(shù)要低， 以及其幾何尺 寸穩(wěn)定性要好。為減小環(huán)境對傳感器的干擾，則要求支架的絕緣電阻高、

8、吸潮性低和表面電阻小。能滿 足這些條件的材料有塑料和有機玻璃，且易于加工；性能更好的材料有石英、云母、人造寶 石和陶瓷等，但加工難度大。在環(huán)境溫度不太高時， 可選用聚四氟乙烯作為支架，易于加工，絕緣性又好。還可以采用差分式對稱結(jié)構(gòu)，來提高靈敏度和減小環(huán)境溫度變化等帶來的誤差。電源的頻率可選用5kHz至幾兆赫茲，這樣可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣性能要求。傳感器內(nèi)所有零部件應(yīng)先清洗，后烘干，再裝備。傳感器要密封，以防止外界水分的浸入，而引起電容值的變化或使絕緣性能變差。傳感器外殼的剛性要好，以免安裝時變形。三、等效電路圖 421421 （ b b、就是平板電容圖 421421 （a a、從輸入端

9、A B兩點看進去的高頻等效模型。傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第3頁/共5頁圖 421421 （ b b）中，L為傳輸線的線電感，R為傳輸線路的損耗等效電阻，根據(jù)電動力學(xué)知道，交流電頻率越高，流過導(dǎo)線的電流就向越靠近導(dǎo)線的外表面，這一現(xiàn)象叫趨膚效應(yīng)。當頻率升高時，導(dǎo)線的軸心幾乎沒有電流流過，電流分布在靠近導(dǎo)線外側(cè)的圓環(huán)內(nèi)，故導(dǎo)線的有效橫截面積減小，線電阻增大。頻率越高，圓環(huán)面積越小，導(dǎo)線的電阻越大。C為傳感器電容。Cp為寄生電容，它比較小。Rp為極板間的等效漏電阻，非常大。般情況下R-L，可以忽略不計。在實際傳感器設(shè)計中， 盡量使Cp很小，使RP很大，那么它們也可忽略掉。在頻

10、率較低時，L也可忽略掉。在高頻時，電容器就等效為L與C的串聯(lián)模型。設(shè)那么它們的等效電容為Ce，由1j Ce得到這表明有效電容Ce比C增大了。傳感器的靈敏度定義為(421)(421)CeLC(422)(422)圖 421421 電容式傳感器的等效電路傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第4頁/共5頁Ced(423)(423)由（422422得到CdCedC221 - - LC丿，于是得到81一 2LC2(424(424)代入（423423 ）得到7“221 -2LC(425(425)傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第5頁/共5頁k二空其中d?？梢姡`敏度是電源頻率的函

11、數(shù)，因此，當電源高頻較高的情況下使用傳感器，在改變電源頻率或更換傳輸線路時，都必須對測量系統(tǒng)重新進行定標。四、邊緣效應(yīng)對于電容式傳感器，當極板厚度 h h 與極板間距離3可比時，兩極板邊緣處電力線出現(xiàn)分 布不均勻的現(xiàn)象，即邊緣電場的影響就不能忽略了，如圖422422 所示。圖 422422 邊緣效應(yīng)的影響圖 423423 帶等位換結(jié)構(gòu)的電容傳感器對于變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器而言，邊緣效應(yīng)不僅使靈敏度降低，而且還增加非線性。因此應(yīng)盡量減小或消除邊緣效應(yīng)。適當減小極距，使極徑（極板尺寸）與極距比增大，可以減小邊緣效應(yīng)的影響。但是， 如果這樣，電容就更容易被擊穿，還可能會限制傳感器的測量范圍

12、?？梢詼p小極板厚度， 使之與極距比很小。 將石英、陶瓷等非金屬材料蒸涂一薄層金屬作 為極板，使極板的有效厚度減小，以減小邊緣效應(yīng)。可以在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)，如圖 423423 所示。把 3 3 叫等位環(huán)，工作時，使 3 3 的電位與極 板 2 2 的點位相同，但保持電氣絕緣，且等位環(huán)與極板 2 2 間隙越小越好。那么，將極板間的邊緣效應(yīng)移到等位環(huán)與動極板的邊緣，而保護環(huán)邊緣的場強不均勻不會影響電容傳感器的電容值計算，從而使定極板邊緣處的電力線分布均勻，克服了邊緣效應(yīng)。五、寄生電容電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，一般電容量都很小，10-310310-3103 皮法，屬于小功率、高阻抗器件，極易

13、受外界干擾，尤其是電纜寄生電容，比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機性，電纜電容又與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]傳感器的有用信號，使傳感器無法使用。因此，消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實用化的關(guān)鍵。消滅寄生電容的方法包括：1.1.驅(qū)動電纜法如圖 424424 所示，驅(qū)動電纜法實際上是一種等電位屏蔽法。電容傳感器與測量電路的前置級之間的引線用雙層屏蔽電纜，并接入增益為 1 1 的驅(qū)動放大器。電容傳感器接在放大器的正輸入端，放大器的負輸入端接地，放大器的輸出接在雙層屏蔽電纜的內(nèi)層屏蔽上，由于放大器的增益為 1 1，保證了內(nèi)層屏蔽與芯線等電位， 消除了芯線與內(nèi)層屏蔽間寄生電容的影響。由于電纜的內(nèi)屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化的電壓，因此叫“驅(qū)動電纜”。外屏蔽層接地或接儀器地，來防止外接電場的干擾。而內(nèi)、外層屏蔽間的電容轉(zhuǎn)變?yōu)?1 1 驅(qū)動放大器的負載。 這種方法的難處是，要在很寬的 頻帶上嚴格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于 1 1,且輸出與輸入的相移為零。傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第6頁/共5頁圖 424424 驅(qū)動電纜法原理圖2.2.整體屏蔽法圖 425425 中，Cx1和Cx2構(gòu)成差動電容傳感器，與平衡電阻R3、R4組成測量電橋，U為電源電壓，C3、C4為寄生電容，K是不平衡電橋的指示放大器，C1則是