傳感器技術教學課件：第4章 電容式傳感器

1、 第四章 電容式傳感器電容傳感器工作原理電容傳感器性能分析 3 電容傳感器測量電路 4 電容傳感器的應用 電容傳感器是將被測量轉換成電容量的測量裝置，它與電阻傳感器和電感傳感器相比，具有如下優(yōu)點： 測量范圍大，C/C 可達100%； 靈敏度高，相對變化量可達10-7； 動態(tài)響應時間短，可動部分質量小，固有頻 率高； 結構簡單、適應性強。 第一節(jié) 電容傳感器工作原理電容量C 的變化決定于參數S、d 和，因而有三種基本類型的電容傳感器。d S ：介質介電常數 r極板間介質的相對介電常數 0真空的介電常數 =8.8510-12F/m S ：極板面積 d ：極板間距離一、變極板間距離（d）型結構類型1

2、、變極距型電容式傳感器電容微位移計極板1固定不動的極板2沿間隙方向平行位移S1定極板2動極板：極板間介質介電常數 0：真空介電常數 r ：極板間介質相對介電常數 ：極板間距離 S ：極板面積 進行微位移測量時，Xd0（工程中一般取X/d0=0.020.1），則上式具有近似的線性關系 設初始兩極板間的距離為d0 ，此時電容量為 , 當極板2沿極板垂直方向移動X ： 兩極板間距離為 d =d0X（極板2上移時，X0；下移時X0），則電容量為特性分析：靈敏度和非線性誤差？為了提高傳感器的靈敏度，減小初始極間距，在兩極板之間加絕緣介質（如云母片），提高耐擊穿電壓(1000kv/mm:3kv/mm)。如

3、圖非線性誤差隨著d0的減小而增大為了保證一定的線性度，應限制動極板的位移量。通常規(guī)定測量范圍 X改變電容量的大小常用來檢測容器中液位的高度或片狀電介質厚度電容液位計C1是高度為h1的不導電液體為電介質的部分的電容量1不導電液體的介電常數 以高度為h2的氣體為介質的部分電容量C2 2氣體的介電常數 電容器總電容量C 為C1和C2相并聯 h、R、r及1、2均為常數 A和B為線性比例系數 總電容量C 僅與液位高度h1成正比dD1DLHCH132例：如圖所示，圓筒形金屬容器中心放置一個帶絕緣套管的圓柱形電極用來測介質液位。絕緣材料介電常數為1 ，被測液體介電常數為2 ，液體上方氣體介電常數為3 ，電極

4、各部位尺寸如圖所示，并忽略底面電容(絕緣套筒底部及下方液體部分)。求：當被測液體為導體及非導體時的兩種情況下，分別推導出傳感器特性方程（即表達式）CH=f(H)dD1DLHCH132令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容；C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容；C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。則有：dD1DLHCH132令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容；C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容；C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCH132令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容；C3是

5、液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容；C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCH132令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容；C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容；C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCH132令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容；C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容；C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。C1C3C4C2CH注意：本例與前一例題的區(qū)別 d 為兩電極板之間的間距，d1為被測電介質的厚度空氣介質的厚度：d0=dd1，總電容量C 為空氣介質電容C

6、0與被測厚電介質電容C1相串聯電容測厚計S 電容器極板的有效面積；0空氣的介電常數1被測厚材料的介電常數，1=0r；r被測厚材料相對介電常數對線性沒有要求(待測變量r和d1基本不變或變化甚小)d不變， 改變，相對介電常數測試儀 如：測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質的濕度不變，d改變，測厚儀 如：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度 四、差動電容傳感器 為了提高線性度或靈敏度，實際中常采用差動電容傳感器變間隙型變面積型 1變d 型 圖中，上下兩電極板位置固定，中間電極板可沿X 方向上下移動 初態(tài)：中間極板居中，d1=d2=d，此時電容C1=C2=C0=S/d ，取差動輸出 C =C1-C2=0

7、。 當中間極板移動量為X 時，取差動輸出靈敏度提高一倍輸出線性好 2變S 型 圖45（b）是變極間有效面積型差動電容傳感器。上下兩圓筒電極固定，中間圓筒電極可沿X 方向移動；當中間圓筒電極上下移動時，上下電容器極板的有效面積S1和S2作反向變化，于是電容C1和C2一增一減，構成差動工作方式。 設初態(tài)時中間圓筒電極居中，即h1=h2=h ，C1=C2=C0= ，取差動輸出 C = C1 - C2 = 0 當中間圓筒移動量為X 時，取差動輸出 變S型差動電容傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度1、等效電路由得 第二節(jié) 電容傳感器測量電路 第二節(jié) 電容傳感器測量電路 2. 測量電路 2.1橋式電路（

8、單筆橋，差動橋） 1. 單臂橋 C1、C2、C3為固定標準電容，CX為傳感器電容 2差動橋 C1和C2為傳感器電容 （1）初態(tài)：兩傳感器電容C1=C2=C ，此時電橋空載輸出 （2）工作時：若C1=CC ，則C2=C C ，此時電橋空載輸出 即工作時傳感器兩電容值發(fā)生等值反向變化，電橋失去平衡；且電容變化量C 越大，不平衡電橋輸出電壓Uo也越大，兩者亦呈線性關系。 二、電容調頻電路 電容調頻電路是把傳感電容作為調頻振蕩電路的一部分，當被測量使電容發(fā)生變化時，振蕩頻率產生相應變化。即式中 L振蕩回路的等效電感； C =C1+C2+C0C 振蕩回路總電容； C1振蕩回路中接入的固定電容； C2引線

9、電纜分布電容； C0傳感電容； C傳感電容的變化量。 因而，振蕩器輸出的信號是一個受被測量調制的調頻波。 工態(tài)時，C 0，振蕩回路的振蕩頻率隨C 的增加而下降。此時 1工作狀態(tài) 初態(tài)時，C =0，振蕩回路的振蕩頻率為 2典型測量電路電容調頻振蕩器輸出頻f1與本機振蕩器輸出頻率fs混頻后輸出中頻信號，即f =f1fs 混頻器輸出的中頻信號是傳感電容受被測量調制的調頻波信號，引入混頻器不但可以降低調頻振蕩器的輸出頻率，以利于調頻信號的處理；同時，兩個振蕩器的漂移頻率經混頻后相互抵消，以利于提高測量精度。因而這種測量電路具有較強的抗干擾能力，較高的靈敏度。 初態(tài)時 C =0，C =C0，f1=f0，

10、f =f1fs=f0fs 工態(tài)時 C =C0，C =C0C0， f1=f0 f0 三、差動脈沖調寬電路 Uf為參考電壓 R1=R2=R 0 0 不定 0 1 置1 1 0 清0 1 1 保持設初態(tài)為AB=1010則：C1充電，C2放電。M電位升高，N電位降低當UMUf時，UNUf 時，UMT2；反之，C1減小，則C2增加，T1T2C1增加，C2減小的波形如左圖 （1）變d 型 對于變d 型差動電容傳感器，傳感電容的大小與極間距離d 成反比，即對應于 C1= C +C ，C2= C C 時 d1= d d ，d2=d +d 。 此時差動輸出電壓平均值可改寫為無論是變d 型或變S 型差動電容傳感器

11、，差動脈沖調寬電路輸出電壓與變化量C（d 或S）之間有著一一對應的線性關系，而與脈沖調寬頻率的變化無關，且對輸出矩形波純度要求不高，這對電容傳感器測量電路十分重要的 （2）變S型 對于變S 型差動電容傳感器，傳感電容的大小與極板的有效面積S 成正比，即對應于C1=C +C ，C2=CC 時，S1=S +S，S2=SS ，此時差動輸出電壓平均值可改寫為 四、運算放大器測量電路Cx為傳感電容C0為固定電容理想情況下：運放的輸入阻抗很大，增益也很大可得：輸出信號與輸入信號源電壓、固定電容和傳感電容的參數有關故要求：1、信號源ui必須采取穩(wěn)壓措施；2、固定電容C0必須穩(wěn)定。代入Cx的公式，則輸出電壓與

12、d是線性關系五、二極管雙T形交流電橋線路簡單，不需要附加其他相敏整流電路第四章 電容式傳感器六、環(huán)行二極管沖放電法 第三節(jié) 電容傳感器的應用 電容傳感器不但應用領域廣、環(huán)境適應性好，而且檢測的精度和靈敏度高。這些優(yōu)點不但與組成電容傳感器的材料性質和結構尺寸有關，還與電容傳感器的正確應用有關，在應用中應該注意以下幾個問題。 一、誤差分析 電容傳感器作為高精度檢測裝置，某些微量因素的變化亦可能引入測量誤差，如溫度、電場的邊緣效應、寄生電容等。 1溫度影響 溫度主要影響傳感器的結構尺寸,致使極板有效面積和厚度發(fā)生變化。 溫度對電容器極板間某些介質的介電常數也有一定的影響?？諝夂驮颇傅慕殡姵祷静皇?/p>

13、溫度影響。而硅油、煤油等液體介質的介電常數是隨溫度的升高而減小的，這種變化引入的誤差只有在測量電路中進行補償。 溫度還可能影響到電容器極板支承架的電絕緣性能。 2電場的邊緣效應 電容器極板周邊的極間電場分布不均勻，稱之為邊緣效應。此邊緣效應使電容傳感器測量精度下降、非線性上升，當檢測精度要求很高時，可考慮加裝等位環(huán) 3寄生電容的影響 電容傳感器的電容值通常很小，測量電路若處理不當，其寄生電容有可能大于傳感器電容，使電容傳感器無法工作。 （1）減小引線長度 盡量減小電容器極板引出線的長度，且不要平行布線；在可能的情況下，將電容傳感器與測量電路集成為一體，這樣既可以減小寄生電容，同時可使寄生電容量

14、基本不變。 （2）屏蔽電容器可將電容和測量電路整體屏蔽，并保證屏蔽體有效接地。 二、靈敏度的提高 電容傳感器的電容量很小，一般為幾PF至幾十PF，任何微小的測量誤差都可能使電容傳感器靈敏度大大下降。為了提高靈敏度，電容傳感器極間距離d 取得很?。ㄐ∮?mm）。但過小的d 容易引起電容器極間電擊穿，為此可考慮在極板間插入云母片 云母的介電系數比空氣高約7倍 空氣的擊穿電壓為3KV/mm 云母的擊穿電壓不少于103KV/mm，即厚度為0.01mm的云母片，其擊穿電壓也高于10KV 極間插入云母片后，可適當減小極間距離，以提高靈敏度 在變極板間距離型電容傳感器中，插入云母片后 式中 S電容器極板的有

15、效面積； d1、1云母片的厚度和介電常數； d0、0極板間空氣隙的長度和空氣的介電常數。 三、應用舉例 1電容式差壓變送器 1、2：測量膜片3：感壓膜片兩室中充滿溫度系數小、穩(wěn)定性高的硅油密封。4、5：固定電極6：絕緣體 （玻璃或陶瓷）將差動電容的變化反映出壓差P 的變化式中K 線性比例系數，則差動輸出為 在壓差P =PHPL作用下，動極3向左撓曲d ，此時d13=d0d ，d23=d0+d ，由于d 很小，故可認為設極板間距離為d13和d23 。初態(tài)時，PH=PL ，可動電極3居中，即d13=d23=d0 ，差動電容CH =CL 圖415 電容式測微儀原理圖 2電容式測微儀 高靈敏度電容測微

16、儀采用非接觸方式精確測量微位移和振動振幅，其最小檢測量可達0.01m。圖415為電容式測微儀原理圖，圖中S 為電容測頭的端面積，h 為測頭與被測件間的距離，即待測距離，測頭與被測件表面間形成的電容為CX ，即 待測電容CX接在高增益運放的反饋回路中，如圖412所示，此時測微儀的輸出電壓為 顯然輸出電壓與待測距離h成線性關系。 為了減小圓柱形測頭的邊緣效應，一般在測頭外側加裝等位環(huán)，在等位環(huán)外側加護套，測頭電極、等位環(huán)、護套三者之間加絕緣層 3電容式偏心度計 利用變極板間距離型差動電容傳感器原理 芯線如圖左偏時，芯線對左、右兩極板的距離變?yōu)閐1=d0d ，d2=d0+d ，此時芯線與左、右兩極板間的電容為C1=s/d1 ，C2=s/d2 ，則兩電容之差為 設芯線不偏心時對左、右兩極板的距離為d1=d2=d0。此時芯線與兩極板間的電容為 根據輸出電容C 的大小檢測出電纜芯線偏心度d 的大小，dd0，因而C 與d 有較好的線性關系。第四章 電容式傳感器4.4 電容式傳感器的應用 1、電容式壓力傳感器電容式差壓傳感器第四章 電容式傳感器變面積式壓力傳感器第四章 電容式傳感器荷重傳感器第四章 電容式傳感器2、電容式加速度傳感器第四章 電容式傳感器3、電容式測厚傳感器第四章 電容式傳感器4、電容式液位傳感器第四章 電容式傳感器5、電容式溫度傳感器該種傳感器是屬于變介質型電容傳感