傳感器技術(shù)第講電容式傳感器

傳感器技術(shù)第講電容式傳感器第一頁，共四十頁，2022年，8月28日第4課電容式傳感器第一節(jié)、工作原理及特性

一、什么是電容式傳感器？將被測參數(shù)變換成電容量的一種傳感器。它的轉(zhuǎn)換元件實(shí)際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。

第二頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性二、原理用兩塊金屬平板作電極，即可構(gòu)成最簡單的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容量為：

式中：S——兩極板間相互覆蓋的面積，m2；

d——兩極板間的距離，m；

ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)／m；第三頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性二、原理電容量為：

由上式可知，電容器容量C的大小與S、d和ε有關(guān)，若保持這三個參數(shù)中的兩個不變而改變另一個，則C就會發(fā)生變化。這實(shí)際上就是電容式傳感器的基本原理。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型根據(jù)發(fā)生變化的參數(shù)的不同，電容式傳感器相應(yīng)地分為以下三種類型。（一）變面積型（二）變間隙型（三）變介電常數(shù)型第五頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（一）變面積型

變面積型電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板；另一個是可移動的，稱為動極板。根據(jù)動極板相對定極板的移動情況，變面積型電容傳感器又分為角位移式和直線位移式兩種。

第六頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（一）變面積型(二種）角位移式直線位移式第七頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（一）變面積型1、角位移式工作原理當(dāng)被測量的變化引起動極板有一角度位移θ時，兩極間相互覆蓋的面積改變了，從而也就改變了兩極板間的電容量C。由上式可見,電容量C與角位移θ呈線關(guān)系第八頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（一）變面積型2、直線位移式工作原理當(dāng)被測量的變化引起動極板移動距離X時，則S發(fā)生變化，C也就改變了特點(diǎn)：1、容量與角位移或直線位移呈線性關(guān)系；2、減小兩極板的距離d或增大極板寬度b可提高傳感器靈敏度。第九頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（二）變間隙型變間隙型電容傳感器有一個定極板和一個動極板，當(dāng)動極板隨被測量變化而移動時，兩極板的間距d就發(fā)生了變化，從而也就改變了兩極板間的電容量C。

1、基本結(jié)構(gòu)2、差動結(jié)構(gòu)第十頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)初始電容量：當(dāng)動極板隨被測量的變化引起間距減小了△d時，電容量就變化為：△d第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)當(dāng)△d＜＜d0時，上式可展開為級數(shù)形式第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)顯然，△C/C0與△

d之間是非線性關(guān)系，只有當(dāng)△d/d0《1時，忽略級數(shù)式的高次項(xiàng)，才能近似線性關(guān)系ooo第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（二）變間隙型差動結(jié)構(gòu)的變間隙型電容傳感器采用兩塊定極板，在二者之間分別放一塊動極板。當(dāng)動極向下移動時，兩個電容器的間距分別為：2、差動結(jié)構(gòu)C1的間隙為：C2的間隙為：第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（三）變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容傳感器常用來檢測容器中液面的高度和測厚度。原理：在介電常數(shù)為εx的被測液體中，放入兩個同心圓筒狀電極，液體上面氣體的介質(zhì)常數(shù)為ε，液體浸沒電極的高度就是被測量x.1、電容式液面計第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第一節(jié)、工作原理及特性三、類型（三）變介電常數(shù)型2、電容式測厚儀xdAB第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路為什么要借助測量電路來檢測電容器的電容變化量？由電容器的電容量計算公式得知：改變其中的ε、S、d任一值都會引起容量改變。但受電容擊穿電壓和體積等限制，使電容器傳感器的輸出電容值非常小，通常只有幾皮法至幾十皮法，不便直接顯示、記錄，更難以傳輸。所以，需要測量電路來檢測這一微小的電容量，并轉(zhuǎn)換成正比的電壓、電流或頻率等信號。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路一、類型1、調(diào)幅型

2、脈寬調(diào)制型3、調(diào)頻型

第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路1、調(diào)幅型

這種電路輸出的是幅度值，并且正比于或近似正比于被測信號。該電路有兩種：（1）交流電橋電路（2）運(yùn)算放大器電路第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路1、調(diào)幅型

（1）交流電橋電路----單臂接法ABCD第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路1、調(diào)幅型

（1）交流電橋電路----差動接法-+-+第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路

（1）交流電橋電路----差動接法1、調(diào)幅型

（1）交流電橋電路----單臂接法非線性關(guān)系線性關(guān)系第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路1、調(diào)幅型

（1）交流電橋電路（2）運(yùn)算放大器電路—基本電路傳感器電容固定電容第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路1、調(diào)幅型

（1）交流電橋電路（2）運(yùn)算放大器電路—可調(diào)零電路第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路2、脈寬調(diào)制型該電路用于測量差動結(jié)構(gòu)的電容器的輸出電壓UAtUBt當(dāng)C1=C2時,UA=UB所以U0=0第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路2、脈寬調(diào)制型該電路用于測量差動結(jié)構(gòu)的電容器的輸出電壓當(dāng)C1≠C2時,UA≠UB所以U0=有輸出UAtUBt第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路3、調(diào)頻型

該電路的基本原理是把電容式傳感器接入高頻振蕩器回路中，當(dāng)傳咸器的輸出電容量在被測量作用下發(fā)生變化時振蕩頻率亦相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻型第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量電路種類和形式電路輸出U0與被測電容△C之間的關(guān)系特性調(diào)幅型交流電橋電路單臂接法輸出UO與△C之間是非線性關(guān)系差動接法輸出UO與△C之間是線性關(guān)系運(yùn)算放大器電路基本電路輸出UO與△C之間是線性關(guān)系可調(diào)零電路輸出UO與△C之間具有線性輸出特性脈寬調(diào)制型輸出UO與△C之間具有線性輸出特性調(diào)頻型抗外來干擾能力強(qiáng)，特性穩(wěn)定，且能取得較高的直流輸出信號。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法二、電容電場的邊緣效應(yīng)三、寄生電容的影響

第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法

環(huán)境溫度的改變將引起電容式傳感器各部分零件幾何尺寸和相互間幾何位置的變化，從產(chǎn)生附加電容變化。而產(chǎn)生附加電容變化。尤其對于變間隙型電容傳感其極板間距僅為幾十微米至幾百微米，溫度引起的尺寸相對變化就可能相當(dāng)大，從而造成很大的特性溫誤差動極板定極板絕緣材料第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法由上式可見，在設(shè)計電容傳感器時，應(yīng)首先根據(jù)合理的初始電容量決定間隙d0，然后根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)剡x擇h1和h2，以盡量滿足上式的溫度補(bǔ)償條件。1、選用溫度膨脹系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料。（陶瓷、鐵鎳合金）2、采用差動對稱結(jié)構(gòu)。3、在測量電路中加以補(bǔ)償。

第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法二、電容電場的邊緣效應(yīng)

理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板相互覆蓋的空間，但實(shí)際上，在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，從而使電容的實(shí)際計算公式變得相當(dāng)復(fù)雜。這種電場的邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個附加電容，其結(jié)果使傳感器的靈敏度下降和非線性增加。

第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法二、電容電場的邊緣效應(yīng)解決方法：1首先應(yīng)增大電容器的初始電容量，即增大極板面積和減小極板間距。2加裝等位環(huán)。如圖所示，在極板A的同一平面內(nèi)加一個同心環(huán)面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。這就可使A、B間的電場接近理想的均勻分布了。加裝等位環(huán)的電容器有三個端子A、B、G。

第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第三節(jié)實(shí)際中存在的問題及解決方法三、寄生電容的影響

我們知道，任何兩個導(dǎo)體之間均可構(gòu)成電容聯(lián)系。電容式傳感器除了極板間的電容外，極板還可能與周圍物體(包括儀器中的各種元件甚至人體)之間產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身電容很小，所以寄生電容可能使傳感器電容量發(fā)生明顯改變；而且寄生電容極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，對傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。解決方法：1、靜電屏蔽。（即將電容器極板放置在金屬殼體內(nèi)，并將殼體良好接地。）2、引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外3、采用驅(qū)動電纜技術(shù)，也稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)。將電極引出線進(jìn)行內(nèi)外雙層屏蔽第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第四節(jié)應(yīng)用舉例一、差動電容式壓力傳感器（壓力傳感器）

原理：

該傳感器工作時，差動壓力分別作用在兩隔離膜片上，通過硅油傳遞至感壓膜片，使其產(chǎn)生撓曲變形，而引起差動電容變化。再經(jīng)引出線接姜測量電路。

為了測量小差壓，感壓膜片做的很薄(約0．05～0．25ram)。

絕緣體電極板電極板感壓膜片引出線油硅隔離膜片隔離膜片第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第四節(jié)應(yīng)用舉例一、差動電容式壓力傳感器（壓力傳感器）

特點(diǎn)：1.別通用于管道中絕對壓力很高但差壓很小的場合2.精度高、耐振動、耐沖擊、可靠好。3.但制造工藝要求很高，尤其是感壓膜片的焊接是一工藝難題。絕緣體電極板電極板感壓膜片引出線油硅隔離膜片隔離膜片第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日第四節(jié)應(yīng)用舉例二、電容式測微儀

電容式測微儀原理如圖3—18所示。圓柱形探頭外