第05章 電容式傳感器

第5章電容式傳感器★優(yōu)點：①高阻抗，小功率。②靈敏度高，具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。③良好的動態(tài)特性。④結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。⑤可進行非接觸測量。⑥本身發(fā)熱影響小?！锶秉c：①變間隙電容傳感器非線性較嚴重。②輸出阻抗很高。③寄生電容大。應(yīng)用：

傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量精密測量?，F(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器電容式傳感器典型應(yīng)用硅微電容式傳感器測量管道液位高度5.1電容式傳感器的工作原理在忽略邊緣效應(yīng)時，平板電容器的電容為1平板電容器邊緣效應(yīng)：1）邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因2）產(chǎn)生的后果:邊緣效應(yīng)將使電容量增大，靈敏度降低。+-圖5-3邊緣效應(yīng)3）消除邊緣效應(yīng)的方法增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。采用等位環(huán)的方法。圖5-4消除邊緣效應(yīng)

d

—

距離，稱變極距型傳感器

S—

面積，稱變面積型傳感器

ε—

介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感器變極距型傳感器按電容器參數(shù)變化特性分類電容器C可以通過改變

5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及主要特性變面積型傳感器變介質(zhì)型傳感器5.2.1變極距型平板電容式傳感器設(shè)動極板未移動時極板間距為d0,初始電容量為：（5.2.1）極板2上移?d：電容的相對變化量為：（5.2.2）（5.2.3）略去非線性項，得：所以變極距型電容傳感器在設(shè)計時要考慮滿足Δd<<d0的條件。且一般Δd只能在極小的范圍內(nèi)變化。一般取?d/d=0.02~0.1。級數(shù)展開（5.2.4）（5.2.5）非線性誤差與Δd/d0有關(guān)。其表達式為：式（5.2.4）略去二次方以上各項，得（5.2.6）圖5-5變間隙式傳感器的非線性傳感器的靈敏度為：（5.2.7）說明:1）靈敏度K與極距d0的平方成反比。2)為了提高靈敏度，減小非線性，常采用差動電容式傳感器.

d0越小，靈敏度越高。d0過小，容易引起電容擊穿或短路。

采取的措施：可在極板間放置云母片或其它介電常數(shù)高的材料。圖5-6極板間放置云母片圖5-7差動電容式傳感器差動電容式傳感器動極板上移?d時：初始位置時，（5.2.9）（5.2.8）（5.2.10）（5.2.11）（5.2.12）提高一倍減小略去高次項：電容量的相對變化為：非線性誤差為：靈敏度：（5.2.15）（5.2.14）（5.2.13）（5.2.16）板狀線位移變面積型

當(dāng)動極板沿箭頭所示的方向移動△x時，其電容量為傳感器的靈敏度為圖5-8變面積式板狀線位移5.2.2變面積型電容傳感器說明:傳感器的輸出呈線性;增大b,減小d0，可提高靈敏度，但是b值的增大受結(jié)構(gòu)的限制。而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同時加工難度加大;x不能太小，否則邊緣效應(yīng)影響增大，引起非線性。

初始電容C0為：當(dāng)內(nèi)筒上移△x時，內(nèi)外筒間的電容C1為：rRl△x同心圓筒形線位移電容式傳感器圖5-9變面積式筒狀線位移

電容量的相對變化為：靈敏度為：可見，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。PartA電容式傳感器θ定片動片角位移式靈敏度：電容量的相對變化為：變面積型角位移串聯(lián)：5.2.3變介電常數(shù)型電容傳感器a)平板結(jié)構(gòu)

并聯(lián)：CC2C1(b）圓筒式液位傳感器初始電容圖5-12液位傳感器2r22r1hhx與被測液位hx成線性關(guān)系。圖5-12液位傳感器2r22r1hhx1、變間距式電容傳感器適用于測量微小位移是因為()

A.電容量微弱、靈敏度太低B.傳感器靈敏度與間距平方成反比，間距變化大則非線性誤差大C.需要做非接觸測量2、變間距（d）型平板電容傳感器，當(dāng)d0=1mm時，若要求測量線性度為0.1%，求允許間距測量的最大變化量是多少？練習(xí)題3、已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為10mm，ε=50μF/m，兩極板幾何尺寸一樣，為30mm×20mm×5mm,在外力作用下，其中動極板在原位置上向外移動了10mm，已知真空時的介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m，試求△C=？K=？常用典型的測量電路有以下幾種:1）調(diào)頻電路2)運算放大器式電路3)電橋電路4)脈沖寬度調(diào)制電路5.3電容式傳感器的測量電路

5.3.1調(diào)頻測量電路電容式傳感元件作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器振蕩頻率當(dāng)電容傳感器工作時，電容C發(fā)生變化，使振蕩器的頻率f發(fā)生相應(yīng)的變化△f。5.3.2運算放大器式電路

1）優(yōu)點：改善單個變極距型電容式傳感器特性的非線性關(guān)系2）原理：如圖所示圖5-17運算放大器式電路電路假設(shè)條件：（1）運算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大器飽和?！疤摰亍保?）放大器的輸入阻抗很高。-===x0xx0iIICjIUCjIU&&&&&&wwo0

0oxiCCUU&&-=（3）注意①輸出Uo與動極片位移d成線性關(guān)系是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。②Uo與電源電壓Ui、固定電容C0及電容式傳感器的ε、A等有關(guān)，任何這些參數(shù)的波動都將使輸出特性產(chǎn)生誤差，因此固定電容C0必須穩(wěn)定，且需要高精度的交流穩(wěn)壓源。③由于電容傳感器的電容小，容抗很高，故傳感器與放大器之間的聯(lián)結(jié)，需要有屏蔽措施。1.阻容電橋5.3.3電橋電路圖5-14阻容電橋電路原理2.變壓器電橋圖5-15變壓器電橋電路原理將阻抗表達式代入上式得

當(dāng)動極板移動Δd時，則有電橋的輸出電壓為:輸出與位移成理想線性關(guān)系3.二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時，

C1＝C2一個周期內(nèi)流過負載的平均電流為0電源正半周電源正半周電源正半周電源負半周3.二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器有輸入時，C1≠C2在負載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關(guān)。該測量電路的優(yōu)點：電路簡單，無需相敏檢波和整流電路，便可得到較高的直流輸出電壓。輸出信號的上升時間取決于負載電壓，可用于測量高速機械運動。5.3.4差動脈寬調(diào)制電路圖5-16差動脈沖調(diào)寬電路tuA0U1uB0U1tuABU1-U10tUMUf0T1t0tUNUfT2uAB-U1U10t0tUNUfT20tuBU1UMUfT10t差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖0tuAU1根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點電壓平均值UA與UB之差，設(shè)R1＝R2＝R，則說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對于差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來說，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：結(jié)論：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。5.4.1溫度變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響1.溫度變化引起傳感器特性結(jié)構(gòu)變化引起電容式傳感器各組成零件尺寸改變，與組成零件的幾何尺寸及零件材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)。補償：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡量減少熱膨脹尺寸鏈的組成環(huán)節(jié)數(shù)目及其尺寸；選用膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料。采用差動對稱結(jié)構(gòu)并在測量線路中對溫度誤差加以補償。2.溫度變化引起介質(zhì)介電常數(shù)的變化。5.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題寄生電容分布電容：電容極板與周圍物體（元器件、人體等）之間產(chǎn)生的一個電容。：電容引線與大地之間的電容。消除克服方法：1）靜電屏蔽（消除寄生電容）：傳感器放入金屬殼體內(nèi)；2）引線采用屏蔽線且屏蔽線外層良好接地；3）采用驅(qū)動電纜技術(shù)。5.4.2寄生電容驅(qū)動電纜法（等電位屏蔽法）4、現(xiàn)有一只0-20mm的電容位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。已知L=25mm,R=6mm,r=4.5mm,其中圓柱C為內(nèi)電極，A,B圓筒為兩個外電極，D為屏蔽套筒，C、B構(gòu)成一個固定電容CF,C、A構(gòu)成一個隨屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容CX,擬采用理想運放電路（如圖b）,試回答：練習(xí)題（1）要求運放輸出電壓與輸入位移x成正比，在運放線路中CF與Cx應(yīng)如何連接？（2）屏蔽筒伸入1mm所引起的電容變化量為多大？（3）輸入電壓Usr=6V時，輸出電壓Usc為多少？（4）固定電容CF的作用何在？（5）傳感器與運放線路的連接線對傳感器的輸出有無影響？圖5-18球型差壓傳感器差動型凸玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極P例1電容式壓差傳感器P彈性膜片(動電極)固定電極圖5-19平面型壓力傳感器單只變間隙型5.5

電容式傳感器的應(yīng)用hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路例2

電容式稱重傳感器圖5-20

電容式稱重傳感器電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，基本原理都是利用彈性敏感元件受壓后變形，引起電容隨外加重量的變化而變化。稱重時，彈性元件受力變形，使動極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。配接調(diào)頻式電路，就會引起振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號經(jīng)計數(shù)、編碼，傳輸?shù)斤@示部分。絕緣材料定極板動極板極板支架彈性體圖5-21

電容式稱重傳感器F在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱重時，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測量誤差大大減?。ㄕ`差平均效應(yīng)）圖5-22

電容式加速度傳感器彈簧片定極板2質(zhì)量塊（動極板）定極板1絕緣體aC1C2m例3電容式加速度傳感器例4

電容測厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用圖5-23

電容式傳感器測鋼板厚度圖5-24電容式料位計1-金屬電容；2-測量電極；3-輔助電極；4-絕緣套例5電容式料位計電容式料位計不僅能測不同性質(zhì)的液體，而且還能測量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性的物料。但因固體摩擦力大，容易“滯留”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。

電容式料位計在測量時，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時，會引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測量誤差，一般將一根輔助電極始終埋入被測物料中。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。設(shè)輔助電極長L0，它相對于料位為零時的電容變化量為：主電極的電容變化量為Cx

，則有：由于L0是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)因素波動所引起的電容變化對主電極與輔助電極是相同的，相比時被抵消掉，從而起到誤差補償作用。常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通例6電容式鍵盤過的條件。理論上這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小甚至可以忽略不計，也沒有接觸不良的隱患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高質(zhì)量的鍵盤，但工藝較機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

例7電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。例8濕敏電