電容式傳感器原理及其應(yīng)用

關(guān)于電容式傳感器原理及其應(yīng)用

電容式傳感器的工作原理及分類1.1工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過(guò)測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。電容式傳感器實(shí)際上是一個(gè)可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器工作原理圖

第2頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天平板電容器電容量表達(dá)式為：三個(gè)參數(shù)都直接影響著電容量的大小。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而使另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將發(fā)生變化。如果變化的參數(shù)與被測(cè)量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那么電容量的變化可以直接反映被測(cè)量的變化情況，再通過(guò)測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。電容式傳感器通?？梢苑譃槿N類型：改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。第3頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1變面積式電容傳感器變面積式電容式傳感器通常分為線位移型和角位移型兩大類。（1）線位移變面積型常用的線位移變面積型電容式傳感器可分為平面線位移型和柱面線位移型兩種結(jié)構(gòu)。

第4頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)于平板狀結(jié)構(gòu)，在圖4-2（a）中，兩極板有效覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為：

式中，，為初始電容值。對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，在圖4-2（b）中，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為：式中，，為初始電容值。

第5頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）角位移型

角位移型是變面積式電容傳感器的派生形式，其派生形式種類較多，如圖所示。（a）角位移型；（b）齒形極板型；（c）圓筒型；（d）扇型圖4-3變面積式電容傳感器的派生型

在圖4-3（a）中，當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，它與定極板之間的有效覆蓋面積就會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，電容值可表示為：第6頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3變間隙式電容傳感器

當(dāng)電容式傳感器的面積和介電常數(shù)固定不變，只改變極板間距離時(shí)，稱為變間隙式電容傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。圖中，活動(dòng)極板與被測(cè)對(duì)象相連。第7頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，電容量隨著兩極板間的距離的變化而變化，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)后，其電容量為：這類傳感器一般用來(lái)對(duì)微小位移量進(jìn)行測(cè)量，正常工作在微米到幾毫米的線位移。同時(shí)，變間隙式電容傳感器要提高靈敏度，應(yīng)減小極板間的初始間距。為了改善這種情況，一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)較高的介質(zhì)。

第8頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4變介電常數(shù)式電容傳感器

根據(jù)前面的分析可知，介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容式傳感器電容量的一個(gè)因素。通常情況下，不同介質(zhì)的介電常數(shù)各不相同。第9頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)電容式傳感器的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，也會(huì)引起電容量發(fā)生變化。變介電常數(shù)式電容傳感器就是通過(guò)介質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)，并通過(guò)傳感器的電容量的變化反映出來(lái)。它通?？梢苑譃橹胶推桨迨絻煞N，如圖所示。（a）柱式（b）平板式

變介電常數(shù)式電容傳感器第10頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天變介電常數(shù)式電容傳感器的兩極板間若存在導(dǎo)電物質(zhì)，還應(yīng)該在極板表面涂上絕緣層，防止極板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。變介電常數(shù)式電容傳感器除了可以測(cè)量液位和位移之外，還可以用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、物位，并可以根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的變化而變化來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等參數(shù)。(a)測(cè)介質(zhì)厚度；(b)測(cè)量位移；(c)測(cè)量液位；(d)測(cè)溫度、濕度圖4-6常見變介電常數(shù)式電容傳感器第11頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器輸出電容量以及電容變化量都非常微小，這樣微小的電容量目前還不能直接被顯示儀表所顯示，無(wú)法由記錄儀進(jìn)行記錄，亦不便于傳輸。借助測(cè)量電路檢出微小的電容變化量，并轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者頻率信號(hào)，才能進(jìn)行顯示、記錄和傳輸。用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多，常見的電路有：普通交流電橋、變壓器電橋、雙T形電橋電路、緊耦合電感臂電橋、運(yùn)算放大器式測(cè)量電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。

第12頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1普通交流電橋電路

普通交流電橋測(cè)量電路如圖4-7所示，為傳感器電容，為等效配接阻抗，和分別為固定電容和固定阻抗。第13頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天傳感器工作前，先將電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電容發(fā)生變化，電橋失去平衡，從而輸出交流電壓信號(hào)。此信號(hào)先經(jīng)過(guò)交流放大器將電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)相敏檢波器和低通濾波器檢出直流電壓、并濾掉交流分量，最后得到直流電壓輸出信號(hào)，它的幅值隨著電容的變化而變化。電橋的輸出電壓為：第14頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2變壓器電橋電路

電容式傳感器接入變壓器電橋測(cè)量電路如圖所示，它可分為單臂接法和差動(dòng)接法兩種。（a）單臂接法（b）差動(dòng)接法第15頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）單臂接法圖4-8(a)所示為單臂接法的變壓器橋式測(cè)量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個(gè)對(duì)角線上，電容構(gòu)成電橋的四個(gè)臂，其中為電容傳感器。當(dāng)傳感器未工作時(shí)，交流電橋處于平衡狀態(tài)，有：此時(shí)，電橋輸出電壓。

當(dāng)改變時(shí)，，電橋有輸出電壓，從而可測(cè)得電容的變化值。第16頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）差動(dòng)接法變壓器電橋測(cè)量電路一般采用差動(dòng)接法，如圖4-8(b)所示。以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)橋臂為次級(jí)線圈。在交流電路中，的阻抗分別為：則有，故，當(dāng)輸出為開路時(shí)，電橋空載輸出電壓為第17頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3雙T形電橋電路

雙T形電橋電路如圖所示，高頻電源u提供幅值為U的方波。

雙T型電橋連接

正半周負(fù)半周第18頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

運(yùn)算放大器式測(cè)量電路的原理圖如圖所示。電容式傳感器跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端與輸出端之間。由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗很高，可認(rèn)為是一個(gè)理想運(yùn)算放大器。則輸出電壓為：第19頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天可見，運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題，但要求運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)和輸入阻抗都足夠大。理想運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，且輸入阻抗。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容值穩(wěn)定。第20頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器的電容與電感元件構(gòu)成振蕩器的諧振回路。其測(cè)量電路原理框圖如圖所示。當(dāng)電容工作時(shí)，電容變化導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過(guò)鑒頻電路把頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后輸出，即可進(jìn)行顯示和記錄，這種方法稱為調(diào)頻法。第21頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)傳感器未工作時(shí)，振蕩頻率為：用調(diào)頻電路作為電容式傳感器的測(cè)量電路具有下列特點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；（2）靈敏度高，可測(cè)量級(jí)的位移變化量；（3）能獲得高電平的直流信號(hào)，可達(dá)伏特?cái)?shù)量級(jí)；（4）由于輸出為頻率信號(hào)，易于用數(shù)字式儀器進(jìn)行測(cè)量，并可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，可以發(fā)送、接收，能達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。第22頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示，它是利用對(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的變化而變化，再通過(guò)低通濾波器得到相應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。第23頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的電路中各點(diǎn)電壓波形如圖所示。第24頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)改善措施

電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)1．電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1）溫度穩(wěn)定性好：電容式傳感器常用空氣等氣體作為絕緣介質(zhì)，介質(zhì)本身的發(fā)熱量非常小，可忽略不計(jì)。因此，只需要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性進(jìn)行考慮，來(lái)合理選擇材料和幾何尺寸。（2）阻抗高、功率小，需要輸入的動(dòng)作能量低：電容式傳感器由于帶電極板間的靜電吸引力極小，因此所需要的輸入能量也極小，特別適用于低能量輸入的測(cè)量。（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：電容式傳感器由于它的可動(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)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。（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)。第25頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．電容式傳感器的缺點(diǎn)（1）輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差：電容的容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此要注意溫度、濕度、清潔度等環(huán)境對(duì)絕緣材料絕緣性能的影響。（2）輸出特性為非線性：雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才成線性，否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。（3）寄生電容影響大：電容式傳感器的初始電容很小，而其引線電容、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。例如，將信號(hào)處理電路安裝在非?？拷鼧O板的地方可以削弱泄露電容的影響。第26頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2電容式傳感器的設(shè)計(jì)改善措施

電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。

（1）消除和減小邊緣效應(yīng)：邊緣效應(yīng)不僅使電容式傳感器的靈敏度降低，而且在測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，應(yīng)盡量減小或消除。適當(dāng)減小電容式傳感器的極板間距，可以減小邊緣效應(yīng)的影響，但電容易被擊穿且測(cè)量范圍受到限制。一方面，可采取將電極做得很薄，使之遠(yuǎn)小于極板間距的措施來(lái)減小邊緣效應(yīng)的影響。另一方面，可在結(jié)構(gòu)上增加等位保護(hù)環(huán)的方法來(lái)消除邊緣效應(yīng)，如圖4-14所示。（a）電容器的邊緣效應(yīng)（b）帶有等位環(huán)的平板式電容器圖4-14等位環(huán)消除電容邊緣效應(yīng)原理圖第27頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）保證絕緣材料的絕緣性能①溫度、濕度等環(huán)境的變化是影響傳感器中絕緣材料性能的主要因素。②傳感器的電極表面不便清洗，應(yīng)加以密封，可防塵、防潮。

③盡量采用空氣、云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)幾乎為零的電介質(zhì)作為電容式傳感器的電介質(zhì)。④傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。殼體的剛性要好，以免安裝時(shí)變形。⑤傳感器電極的支架要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的性能。應(yīng)選用溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好，并具有高絕緣性能的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。

第28頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）減小或消除寄生電容的影響

寄生電容可能比傳感器的電容大幾倍甚至幾十倍，影響了傳感器的靈敏度和輸出特性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒傳感器的有用信號(hào)，使傳感器無(wú)法正常工作。因此，減小或消除寄生電容的影響是設(shè)計(jì)電容傳感器的關(guān)鍵。通?？刹捎萌缦路椒ǎ孩僭黾与娙莩跏贾担涸黾与娙莩跏贾悼梢詼p小寄生電容的影響。采用減小電容式傳感器極板之間的距離，增大有效覆蓋面積來(lái)增加初始電容值。②采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)又叫雙層屏蔽等位傳輸技術(shù)，它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。第29頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高，具有容性負(fù)載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難點(diǎn)在于要在很寬的頻帶上實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸入輸出的相移為零。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”。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。驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)原理圖第30頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天③采用運(yùn)算放大器法：運(yùn)算放大器法的原理如圖所示。它利用運(yùn)算放大器的虛地來(lái)減小引線電纜寄生電容。

運(yùn)算放大器法電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地Σ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，為運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，因而大大減小了電纜電容的影響。第31頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4電容式傳感器的應(yīng)用

電容式傳感器的應(yīng)用非常廣泛，它可用來(lái)測(cè)量液位和物位、壓力、加速度、直線位移、角度和角位移、厚度、振動(dòng)和振幅、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度及成分等參數(shù)。4.4.1電容式壓力傳感器圖4-17所示是典型的差動(dòng)電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。第32頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天差動(dòng)電容式壓力傳感器第33頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容式壓力傳感器常用來(lái)測(cè)量氣體或液體的壓力，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示。第34頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4.2電容式加速度傳感器差動(dòng)電容式加速度傳感器主要由兩個(gè)固定極板（與外殼絕緣）和一個(gè)質(zhì)量塊組成，中間的質(zhì)量塊采用彈簧片來(lái)進(jìn)行支撐，它的兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板。第35頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4.3電容式位移傳感器圖示為一種圓筒式變面積型電容式位移傳感器。它采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，其固定電極3與外殼絕緣，其活動(dòng)電極4與測(cè)桿1相連并彼此絕緣。測(cè)量時(shí)，動(dòng)電極隨被測(cè)物發(fā)生軸向移動(dòng)，從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開槽彈簧片2為傳感器的導(dǎo)向與支承，無(wú)機(jī)械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測(cè)量。第36頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容式傳感器還可以用于測(cè)量振動(dòng)位移，以及測(cè)量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動(dòng)態(tài)偏擺等，屬于動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，如圖所示。

（a）振幅測(cè)量（b）軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測(cè)量電容式傳感器在振動(dòng)位移測(cè)量中的應(yīng)用第37頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖（a）中電容傳感器和被測(cè)物體分別構(gòu)成電容的兩個(gè)電極，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電容兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而改變電容的大小，再經(jīng)測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量。圖（b）所示電容傳感器中，在旋轉(zhuǎn)軸外側(cè)相互垂直的位置放置兩個(gè)電容極板，作為定極板，被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸作為電容傳感器的動(dòng)極板。測(cè)量時(shí)，首先調(diào)整好電容極板與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸之間的原始間距，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)因軸承間隙等原因產(chǎn)生徑向位移和擺動(dòng)時(shí)，定極板和動(dòng)極板之間的距離發(fā)生變化，傳感器的電容量也相應(yīng)的發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路即可測(cè)得軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心的偏擺。第38頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4電容式液位傳感器電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。測(cè)定電極安裝在容器的頂部，容器壁和測(cè)定電極之間構(gòu)成了一個(gè)電容器。當(dāng)容器內(nèi)的被測(cè)物有一定液位高度時(shí)，由于被測(cè)物介電常數(shù)的影響，傳感器的電容發(fā)生變化，電容的變化量與被測(cè)液位的高度成線性關(guān)系。只要通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)出電容的變化量，就可以測(cè)出液位的高度。第39頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天傳感器的電容量可表示為：可見，電容器的電容量與被測(cè)液位高度成線性關(guān)系，且兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大、容器的內(nèi)徑與電極的直徑相差越小，傳感器的電容變化量就越大，靈敏度就越高。第40頁(yè),共47頁(yè)，2024年2月25日，星期天由于被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)不一樣，不同介質(zhì)的導(dǎo)電性能不相同，電容式液位傳