傳感器原理及應(yīng)用(第3版) 王華翔 第3章 電容式傳感器

1、第三章 電容式傳感器電容傳感器的用途：測量位移、物（液）位、壓力等電容式傳感器是將被測參數(shù)變換成電容量的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單；只要極小的輸入力就能使動極板移動，在移動過程中沒有摩擦和幾乎沒有反作用力靈敏度高分辨力也高，能敏感0.01微米甚至更小的位移動態(tài)響應(yīng)好能在惡劣環(huán)境條件下（高低溫、各種形式的輻射）工作3-1 電容式傳感器的工作原理用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成最簡單的電容器，其電容量為：+-0rSSCdd 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)0 真空的介電常數(shù)，0 =1/3.6 (pF/cm)r 極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)， r = / 0 ，對于空氣介質(zhì)，r 1)(6 . 3pFdSCr),(SdfC電容式傳感

2、器變面積型(S)變介電常數(shù)型()變間距型(d)一、變面積型（S）(a)角位移式 (b)直線位移式當動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積S就改變，因而改變了兩極板間的電容量當=0時0pF3.6rSCd當0時011pF3.6rSCCd 電容C與角位移呈線性關(guān)系badx直線位移式電容傳感器X=0時，電容為：)(6 . 30pFdabCr某一極板移動距離X時，電容為01pF3.6rxb axxCCda其靈敏度為：0 xdCCKdxa 增大初始電容 可以提高傳感器的靈敏度0C二、變介質(zhì)介電常數(shù)()型常用作檢測容器中液面高度、片狀材料的厚度。液體和空氣的介電常數(shù)不同。液面高度變化時，導致傳感器的電容相應(yīng)改變

3、氣體介質(zhì)間的電容量 為1C1222122ln(/ )ln(/ )hhhCR rR r液體介質(zhì)間的電容量 為2C1 122ln(/ )hCR r 總電容量為121 11222ln(/ )ln(/ )hhhCCCR rR r 211222()ln(/ )ln(/ )hhR rR r 1CAKh22ln(/ )hAR r 1122()ln(/ )hKR r傳感器電容量C與液位高度h1成線性關(guān)系兩部分電容為并聯(lián)變介質(zhì)介電常數(shù)()型測厚儀電容量等于兩個電容C0和C1相串聯(lián)0101010101013.63.63.63.6SSC CddCSSCCdd00116 .3ddS三、變極板間距(d)型初始電容量為0

4、C003.6SCpFd當間距 減小d 時，則電容量為0d003.6 ()SCCdd00013.6 (1)(1)SCdddd0001ddCdCd展開為級數(shù)形式23000001CddddCdddd當d Uf A1翻轉(zhuǎn)，C1放電 B高電平，A低電平 C2充電 UnUf A2翻轉(zhuǎn)，C2放電A1,A2為比較器C1=C2 C1C21112APTUUTT2112BPTUUTT12SC112APBPTTUUUUTT11111lnFUTRCUU12221lnFUTRCU U12112SCCCUUCC(四)運算法測量電路運放特性：虛短和虛斷xII00ZEZUxsc00SCXXUCZEZC dSCx0SCCUEdS

5、 輸出電壓USC與動極片的位移d成線性關(guān)系3-3 電容式傳感器的誤差分析對電容傳感器輸出有很大影響的因素有溫度、邊緣效應(yīng)和寄生分布電容。一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響環(huán)境溫度變化時，傳感器各零件的幾何形狀、尺寸發(fā)生變化，從而引起電容量變化對變間隙電容傳感器來說對變間隙電容傳感器來說更顯重要更顯重要0PtCCCC 零初始溫度下：012dLhh溫度變化t后1212111tLhhdLththt 溫度變化而引起的電容量相對誤差為：000ttttttCCddCd121212012LhhtLhhLhhtdLhht 根據(jù)傳感器零件的線膨脹系數(shù)，取合適的h1和h2，使12120hhLhhL即可達到溫度補償?shù)哪康?二

6、、增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng) 等位環(huán)3 3與電極2 2在同一平面上并將電極2 2包圍，且與電極2 2電絕緣但等電位，這就能使電極2 2的邊緣電力線平直，電極1 1和2 2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3 3外周不影響傳感器兩極板間電場。任何兩個導體之間均可構(gòu)成電容聯(lián)系，故電容式傳感器除了極板間電容外，極板還可能與周圍物體之間產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種電容稱為寄生電容。對傳感器及其引出線采取屏蔽措施：將傳感器放在金屬殼體內(nèi)，并將殼體接地；傳感器引出線必須采用屏蔽線，屏蔽線外套同樣應(yīng)良好接地。三、寄生和分布電容影響 屏蔽線本身電容量大，電容式傳感器本身電容量小，當屏蔽線較長且與傳感器電容相

7、并聯(lián)時，傳感器電容的相對變化量大大降低，即傳感器有效靈敏度顯著降低； 更為嚴重的是，電纜本身的電容量隨放置位置和其形狀的改變而有很大變化，造成傳感器特性不穩(wěn)定。仍然存在的問題：仍然存在的問題：解決電纜電容影響的有效方法：驅(qū)動電纜技術(shù)。原理：使用電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜相連接的傳感器電容極板電位。要求兩電位幅值和相位均相同。這樣引線與內(nèi)屏蔽層的電纜電容不起作用。01XCUUU1UAUUA 0201aaUAUA A U 02XCUU11aAA 為實現(xiàn)電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電位1aUAA A U3-4 電容式傳感器的應(yīng)用位移，厚度，角度，振動等機械量力，壓力，差壓，流量，成分，液位等參數(shù)一、電容式差壓

8、變送器壓力變化膜片位移極板距離改變電容量改變；激勵電壓電容器交變電流整流，控制，放大輸出4-20mA直流電流球面電容等效圖0ALA0C CCCC0AHA0C CCCC求C0,CA即可得到CL，CH。采用單元積分法求出C0,CA)(LHAPPfC將CL，CH放入二極管環(huán)形檢波電路得最終結(jié)果為：S0BCHLFFFRUUIKIPPRRR二、電容式測微儀采用非接觸方式精確測量微位移和振動振幅電容探頭與待測表面間形成的電容0XSCh將其接入運放測量電路中：0SC0XCUEC 0SC010C hUEK hS 三、電容式液位計電容式液位計可以連續(xù)測量的水位或?qū)щ娨后w的液位。212ln(/)XXhCdd二極管測量電路從從E1到到E2時：時：CX充電：充電：AD1CCXCd充電：充電：ACeBD3CdA到到B流動電荷量：流動電荷量：121dqCEE從從E2到到E1時：時：CX放電：放電：CXD2CeL1OCd放電：放電：CdD4L1OB到到A流