2.3電容式傳感器

傳感器原理及應用第三章電容式傳感器課程內(nèi)容2應變式電容式電感式壓電式數(shù)字式熱電式固態(tài)光導纖維式智能傳感技術工作原理與應用概論傳感器的一般特性本章內(nèi)容3第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動式電容傳感器誤差分析溫度效應邊緣效應寄生和分布電容測量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動脈沖寬度調(diào)制電路運算法電路應用舉例電容測微儀電容式差壓變送器

電容液位計成分測量電容式接近開關

定義：電容式傳感器是將被測量參數(shù)換成電容量的測量裝置。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路輔助電路被測量傳感器輸出工作原理實際應用測量電路誤差分析位移、厚度、角度、振動、力、壓力、壓差、流量、成分、液位……第三章電容式傳感器第三章電容式傳感器一、變極距型（變d）非線性非線性誤差？只考慮二次項差動電容傳感器差動結構使靈敏度提高一倍；非線性誤差減小一個數(shù)量級；二、變面積型（變S）應用：位移及可轉(zhuǎn)化為位移的量直線位移式電容傳感器二、變面積型（變S）角位移式電容傳感器應用：角度、位移及可轉(zhuǎn)化為角度、位移的量12第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動式電容傳感器

*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1土壤濕度傳感器介電法速測土壤含水量利用土壤的介電特性來測量土壤含水量是一種行之有效的、快速的、簡便的、可靠方法。對一定幾何結構的電容式水分傳感器，其電容量與兩極間被測物料的介電常數(shù)有正比關系。電容式水分傳感器的特點是精度高、量程寬、可測的物料品種多，而且響應速度也較快，可應用于在線監(jiān)測實現(xiàn)自動化三、變介電常數(shù)型（變ε）氣體介質(zhì)間的電容為C2液體介質(zhì)間的電容為C1

總電容量為C線性液面高度12下圖相當于兩個電容的并聯(lián)，1、2為筒狀的極板。d三、變介電常數(shù)型（變ε）C1C2C3C圖

電容式傳感元件的各種結構形式上圖所示為常用電容器的結構形式。圖(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)為變面積型，圖(a)和(e)為變極距型，而圖(i)～(l)則為變介電常數(shù)型。例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr

＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：三、主要性能（一）

主要性能1、

靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為

可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還隨被測量而變化。減小δ可以提高靈敏度。但δ過小易導致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kV／mm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于

103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。

顯然，輸出電容?C與被測量之間是非線性關系。只有當(?δ/δ<<1時，略去各非線性項后才能得到近似線性關系為C＝C0(?δ/δ)。由于δ取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)（1cm至零點幾mm），而且?δ最大應小于極板間距δ的1/5～1/10。2、非線性對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化時，其電容量的變化：可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被測量?δ就與?XC成線性關系，不需要滿足?δ<<δ這一要求了。在忽略邊緣效應時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實際上由于邊緣效應引起極板或極筒間電場分布不均勻，導致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。

采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量?C本章內(nèi)容21第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動式電容傳感器誤差分析溫度效應邊緣效應寄生和分布電容測量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動脈沖寬度調(diào)制電路運算法電路應用舉例電容測微儀電容式差壓變送器

電容液位計成分測量電容式接近開關3-2電容式傳感器的誤差分析理想一、溫度對結構尺寸的影響二、溫度對介電常數(shù)的影響實際一、溫度對結構尺寸的影響由于組成傳感器各材料的溫度膨脹系數(shù)不同，當環(huán)境溫度變化時，傳感器各結構尺寸發(fā)生變化從而引起電容變化。通常以變極距型電容傳感器為例，對溫度誤差進行分析。溫度變化產(chǎn)生的增量，是溫度的函數(shù)傳感器初始電容正常測量時電容的變化量工作極板固定極板絕緣材料L：初始時絕緣材料的厚度：初始時固定極板的厚度：初始時空氣隙的厚度：初始時兩極板的總間隙誤差

溫度誤差與各結構參數(shù)及材料的關系，說明溫度誤差與傳感器的零件形狀、尺寸、大小及零件材料的線膨脹系數(shù)有關設計時應充分考慮。設計的通常步驟：〈1〉設計時首先合理選擇初始電容量以決定d0

；〈2〉根據(jù)材料膨脹系數(shù)，適當?shù)剡x擇h1和

h2以滿足溫度補償條件的要求，達到溫度補償?shù)淖饔谩?/p>

傳感器的電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。因此若某些介質(zhì)的介電常數(shù)也存在溫度系數(shù)，當溫度改變時，就必然會引起傳感器的電容值改變，從而造成溫度附加誤差。

消除方法是：采用介電常數(shù)溫度系數(shù)為零的空氣或云母作為介質(zhì)，或在測量電路中進行溫度補償。但要完全補償是困難的。二、溫度對介質(zhì)的介電常數(shù)的影響本章內(nèi)容27第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動式電容傳感器誤差分析溫度效應邊緣效應寄生和分布電容測量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動脈沖寬度調(diào)制電路運算法電路應用舉例電容測微儀電容式差壓變送器

電容液位計成分測量電容式接近開關3-3電容式傳感器的測量電路電容變化一、差動脈沖寬度調(diào)制電路二、運算法測量電路電壓輸出3-3電容式傳感器的測量電路一、等效電路C：傳感器電容；

Rp：并聯(lián)電阻，包括了電極間泄露電阻和介質(zhì)損耗的等效電阻（電容器內(nèi)部的）。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱L：串聯(lián)電感，電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。

Rs：串聯(lián)電阻，即引線電阻，接線柱電阻，電極板電阻之和（外部與內(nèi)部）電容式傳感器的等效電路當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率（通常f=(1/3～1/2)fo

），否則電容傳感器不能正常工作。電路諧振頻率注意<二>差動脈沖寬度調(diào)制電路比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電容充、放電回路差動電容電路輸出+﹣截止充電﹣+截止充電導通放電+﹣<二>差動脈沖寬度調(diào)制電路工作原理接通電源：某時刻雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為

因此在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1，C2調(diào)制的方波脈沖,見下圖（書中圖3-13）所示。差動電容的變化使充電時間不同而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的脈沖寬度不同，因此，A、B兩點間輸出電壓不同，且具有線性輸出輸出直流電壓由AB兩點間電壓經(jīng)過低通濾波后獲得其中……觸發(fā)器輸出高電平電壓輸出直流電壓具有線性輸出特性；無須附加解調(diào)電路，而只需經(jīng)低通濾波簡單引出輸出（自身能判向）；由于低通濾波對波形要求不高，故僅需一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，比要求穩(wěn)頻穩(wěn)幅的交流電易于做到?！次濉颠\算法測量電路由運算放大器反饋原理可知，當運放輸入阻抗很高，增益很大時，則認為運算放大器輸入電流I=0，即運放不取電路電流，則下式成立（M點虛地）。根據(jù)基爾霍夫定律：線性結論〈1〉輸出電壓與動極片位移d成線性關系；（理論上解決了變d電容傳感器輸出特性的非線性問題）〈2〉前提條件，實際上運算法測量電路的輸出，仍具有一定的非線性誤差，但是在增益和輸入阻抗足夠大時，這種誤差是相當小的。實際兩者足夠大即可；〈3〉輸出電壓Usc與信號電壓Ui、固定電容C0和電容式傳感器參數(shù)

ε、S等有關，這些參數(shù)的波動都將使輸出產(chǎn)生誤差，因此要求，要求C0、Ui

（穩(wěn)壓措施）、

ε

等要足夠穩(wěn)定。本章內(nèi)容38第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動式電容傳感器誤差分析溫度效應邊緣效應寄生和分布電容測量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動脈沖寬度調(diào)制電路運算法電路應用舉例電容測微儀電容式差壓變送器

電容液位計成分測量電容式接近開關3-4電容式傳感器的應用位移、厚度、角度、振動、力、壓力、壓差、流量、成分、液位電容傳感器一、成分測量二、電容式接近開關應用四、成分測量土壤水分的測定是農(nóng)業(yè)，水利科學研究和實現(xiàn)灌溉自動化的關鍵環(huán)節(jié)，廣泛地受到人們的重視。土壤水分的檢測在實際生產(chǎn)生活中的應用非常重要，人們通過傳感器檢測出土壤水分的多少，經(jīng)過變送器，傳輸通道，信息處理