第4章電容式傳感器

1、 傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù) 朱啟兵朱啟兵2/36傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)第第4章電容式傳感器章電容式傳感器一、概述一、概述二、工作原理及結(jié)構(gòu)二、工作原理及結(jié)構(gòu)三、存在問(wèn)題及改進(jìn)三、存在問(wèn)題及改進(jìn)四、測(cè)量電路四、測(cè)量電路五、應(yīng)用五、應(yīng)用3/36第第4章電阻式傳感器章電阻式傳感器一、概述一、概述利用電容器的原理，將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量。實(shí)質(zhì)上是一利用電容器的原理，將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。被測(cè)量被測(cè)量：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等和成分含量等平板電容器的

2、電容平板電容器的電容根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化分：根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化分：變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器(d)變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器(A)變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器()dAc類類型型4/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器二、原理與結(jié)構(gòu)二、原理與結(jié)構(gòu)和兩平行平面導(dǎo)體之間的電容量為：式中：極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0真空中的介電常數(shù)，0=8.85410-12 F/m； S 兩極板間相互覆蓋面積，m2； 兩極板之間的距離，m。除0外，、S和三個(gè)參數(shù)都直接影響電容的大小任意兩個(gè)恒定，第三個(gè)參量就與電容呈單值函數(shù)關(guān)系0SCeed=(3-13)S5/36第第4章電容式傳感器章電容

3、式傳感器1.變極距型電容器的傳感器6/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器1.變極距型電容器的傳感器2變極距型電容傳感器1CC0C- 特性曲線C0初始電容量。 0CSSSC若：若：200001C C00200rCSCK 000000001LCCeC0減小導(dǎo)致非線性增大容易擊穿7/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器0122/rSC002 CCKd一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu).)()(1 /11302000001dddd

4、ddCddCC.)()(1 /11302000002ddddddCddCC.)( 2)( 2250300021ddddddCCCC%100)(%100)/(2)/(220030dddddd抗壓，提高線性度抗壓，提高線性度8/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器2.變面積型電容器的傳感器SdaxbxaxCC00CC02lnHCD動(dòng)極板定極板 D H h002lnhhChCCDHCH 9/363 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度厚度、液位液位，還，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度

5、改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的的溫度溫度、濕度濕度等。等。 結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)形式：平板式和圓筒式平板式和圓筒式 平板式按照其用途平板式按照其用途：厚度和位移：厚度和位移n若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為與被厚度的關(guān)系為 x厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxabC第第4章電容式傳感器章電容式傳感器非線性關(guān)系非線性關(guān)系10/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器n若忽略邊緣效應(yīng)，單組式若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器平板形線位移

6、傳感器如下圖，傳感如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a、b、lx: :固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ；:兩固定極板間的距離；兩固定極板間的距離；x、0 0: :被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板平板形形lx線性關(guān)系線性關(guān)系11/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器n若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 C1CC2xxKhArrhrrhC)/

7、ln()(2)/ln(2120120可見，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。 h2r12 r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK12/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的r 2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352

8、. 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax13/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器14/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器 優(yōu)點(diǎn):1. 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無(wú)關(guān)本身發(fā)熱極小 ）2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) 3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量三、特點(diǎn)三、特點(diǎn)15/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕其固有頻率很高，動(dòng)

9、態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。16/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器缺 點(diǎn)：輸出阻抗高、負(fù)載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響 寄生電容影響大 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圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(

10、如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度 17/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器1. 1.電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感：Rs由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜及極板與外界所形成的總寄生電容；Rp是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗,其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。Cp和L是主要影響因素。高頻時(shí)L的影響不可忽略。CCpRpLRs四、存在問(wèn)題及改進(jìn)四、存在問(wèn)題及改進(jìn)CL高頻簡(jiǎn)化11ej Lj Cj C221/1eeeCCLCCC CCLC工作頻率等于

11、或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該先擇低于諧振頻率。電容式傳感器的實(shí)際相對(duì)變化量與傳感器的固有電感L的角頻率有關(guān)。 因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定的條件相同。 兩兩點(diǎn)點(diǎn)注注意：意：18/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器2.邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)在平行板的邊緣部分，由于電力線是彎曲的，因而產(chǎn)生附加電容，在平行板的邊緣部分，由于電力線是彎曲的，因而產(chǎn)生附加電容，附加電容的存在使得傳感器的靈敏度下降，非線性誤差增大，這種附加電容的存在使得傳感器的靈敏度下降，非線性誤差增大，這種現(xiàn)象稱為電容傳感器的邊緣效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為電容傳感器的邊緣效應(yīng)。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理

12、圖均勻電場(chǎng)1233邊緣電場(chǎng)解決方法：解決方法：1）增大原始電容，減小邊緣效應(yīng)影）增大原始電容，減小邊緣效應(yīng)影響。響。2）減小電極的厚度）減小電極的厚度h.3)等位環(huán)。等位環(huán)。19/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器3.寄生電容寄生電容（1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值采用減小極片或極筒間的間距減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積增加工作面積或工作長(zhǎng)度工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在 10-61范圍內(nèi)。 （1

13、 1）增加傳感器原始電容值（）增加傳感器原始電容值（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；）注意傳感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化（）集成化（4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5）采用運(yùn)算放大器法；（）采用運(yùn)算放大器法；（6 6）整體屏蔽法）整體屏蔽法傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄寄生電容生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響

14、測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。20/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽）注意傳感器的接地和屏蔽圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)。可動(dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。 引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級(jí)的距離。 絕緣體屏蔽殼固定極筒可動(dòng)極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖21/36第第4章電容式傳感

15、器章電容式傳感器（3 3）集成化）集成化將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 （4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過(guò)1:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。

16、由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。 22/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)準(zhǔn)確度要求達(dá)1/ /10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。 1：1測(cè)量電路前置級(jí)外 屏 蔽層內(nèi) 屏 蔽層芯線傳感器“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理

17、圖 當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百F)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。 23/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器下圖是利用運(yùn)算放大器的虛地來(lái)減小引線電纜寄生電容CP的原理圖。圖中電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn),電纜的屏蔽層接儀器地,這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1A)，因而大大地減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對(duì)芯線不起作用。傳感器的另一電極接大地，用來(lái)防止外電場(chǎng)的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實(shí)際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單

18、。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠大的A值可保證所需的測(cè)量精度。-AuoCCxu利用運(yùn)算放大器式電路虛地點(diǎn)減小電纜電容原理圖（5）采用運(yùn)算放大器法）采用運(yùn)算放大器法24/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z3和Z4中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容CP1和CP2分別與Z3和Z4相并聯(lián)。如果Z3和Z4比CP1和CP2的容抗小得多，則寄生電容CP1和CP2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響

19、就很小。交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A（6）整體屏蔽法）整體屏蔽法25/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器 最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時(shí)Z3和Z4是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)Z3和Z4的電流大小基本相等但方向相反。因Z3和Z4在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，所以線圈中的合成磁通近于零，Z3和Z4僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄生電容Cpl和Cp2對(duì)Z3和Z4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影響交流電橋的平衡。 還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容C1和C2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏

20、蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)10m以上時(shí)仍能測(cè)出 1pF的電容。 電容式傳感器的原始電容值較大（幾百pF）時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜長(zhǎng)達(dá)10m時(shí)，傳感器也能正常工作。 26/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器五、測(cè)量電路五、測(cè)量電路1.電橋電路電橋電路將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻電阻或電容電容或電感電感，也可是變壓器的兩個(gè)二變壓器的兩個(gè)二次線圈次線圈。特點(diǎn)特點(diǎn)：高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施； 通常

21、處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋； 輸出阻抗很高(幾M至幾十M)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。 27/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器2. 2.二極管雙二極管雙T T形電路形電路正負(fù)半周分析：正負(fù)半周分析：正半周：C1充電，電流順時(shí)針； C2放電，電流逆時(shí)針負(fù)半周： C2充電，電流逆時(shí)針； C1放電，電流順時(shí)針若C1 = C2，則電流抵消，若C1 C2，則RL有信號(hào)輸出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi

22、幾點(diǎn)說(shuō)明：n該電路電源頻率Mhz級(jí)，電源電壓幾十伏，電源的穩(wěn)定性對(duì)輸出直接產(chǎn)生影響。n當(dāng)電容以PF級(jí)變化時(shí)，輸出以V級(jí)變化。28/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器3. 3.差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路G29/36第第4章電容式傳感器章電容式傳感器tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U030/36UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBAUA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為