智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势-

1、 硕士研究生课程硕士研究生课程 智能传感器技术智能传感器技术 （考查）（考查） 自选课题自选课题 2010 年 5 月 24 日 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势The Current Situation And Tendency ofDyadic Intelligence Capacitance Sensor at Home and Aboard摘 要电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、液面、料面、成分含量等方面的测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗

2、过载能力大及价格便宜等一系列优点，因此，占有很重要的地位。文中主要介绍了电容式感器的结构原理、性能改善、测量电路、应用及其发展。关键词 电容式 智能化 测量电路AbstractCapacitive sensor is a sensor which convert the measurements into the change of capacitances.It is not only widely used in displacement,virbration,angle,acceration and other precision measurement of mechancial en

3、ergy,but also gradually expanded,applied in pressure,surface,material surface,ingredients and other measurements.The sensor has a series of advantages such as simple structure,high sensitivity,good dynamic response,adaptability,strong anti-overload and low cost.Therefore,capacitive sensor plays an i

4、mportant role.The paper introduces structure principle,performance improvement,measurement circuits,application and development of capacitive sensor.Keywords capacitive intelligent measurement circuits目 录绪 论2第一章 电容式传感器的结构原理21.1 变间隙式电容传感器3智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势11.2 变面积式电容传感器61.3 变介电常数式电容传感器81.4

5、差动电容传感器10第二章 电容式传感器的特点及应用中存在的问题102.1 特点102.2 应用中存在的问题11第三章 电容式传感器的测量电路143.1 运算放大器式电路143.2 电桥电路153.3 调频电路163.4 谐振电路173.5 脉冲宽度调制电路18第四章 电容式传感器的应用214.1 电容式位移传感器214.2 电容式压力传感器214.3 电容式加速度传感器224.4 电容式液位传感器234.5 电容式荷重传感器244.6 电容式测厚仪25第五章 电容式传感器技术向智能化方向发展26小 结27参考文献28致 谢29 绪 论电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它不但广

6、泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、液面、料面、成分含量等方面的测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势2点，因此，占有很重要的地位。第一章 电容式传感器的结构原理电容传感器的基本原理 ：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为式中: 电容极板间介质的介电常数, =or, 其中 o 为真空介电常数, r 为极板间介质相对介电常数; A两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。 当被测参数变化使

7、得上式中的 A,d 或 发生变化时, 电容量 C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。电容传感器的分类：变间隙式，变面积式，变介电常数式。图 1-1 给出几种常见的电容传感器。下面分别介绍这几种传感器的结构原理及输出特性。dAc智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势3图1-1 几种不同电容传感器的示意图图1-1 几种不同电容传感器的示意图1.1 变间隙式电容传感器图 1 2 为变间距型电容式传感器的原理图。当传感器的 r 和 A 为常数, 初始极距为 时, 可知其初始电容量 为若

8、电容器极板间距离由初始值 缩小 d, 电容量增大 C, 则有：由上式可知, 传感器的输出特性 C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。当d d 时有，0d0c0100dAc2020000001)(1)1 (ddddcdddAcccr1)(12dd智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势4则:说明：（1） C1 与 d 近似呈线性关系, 所以变间距型电容式传感器只有在d/do 很小时, 才有近似的线性输出。 (2)此时电容式传感器的灵敏度为图1-2 变间隙式电容传感器示意图ddCC020dSdCdCK智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势5如图 1-2 上采用

9、差动变间隙式可以提高灵敏度。（3）在 do 较小时, 对于同样的 d 变化所引起的 C 可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。但 do 过小, 容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图 3-3,此时电容 C 变为：式中: 云母的相对介电常数, = 7; 0空气的介电常数, 0 =1； 空气隙厚度; 云母片的厚度。 图1-3 加入云母介质的电容云母片的相对介电常数是空气的 7 倍, 其击穿电压不小于 1000 kV/mm, 而空气的仅为 3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 上式中的(dg/ )项是恒定值, 它能使传

10、感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF 之间, 极板间距离在 25200m 的范围内, 最大位移应小于间距的 1/10, 故在微位移测量中应用最广。 （4）单变隙式电容的非线性误差： 000ddAcgggg0dgd智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势6 %100|0dd 差动式电容的非线性误差： 可见采用差动式可以提高线性度。总结：为兼顾灵敏度和线性度，一般采用差动式变隙式结构形式，一般这种结构形式只能用来测量微小位移或微小振动。即测量范围小但灵敏度高。1.2 变面积式电容传感器1.直线位移型电容式传感器图 1-4 左图所示

11、为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板移动距离x 时，覆盖面积 S 就发生变化，电容量 C 也随之改变，其值为：axCxdbCCC00%100|20ddxdbCdxabC0)(智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势7图1-4变面积型电容传感器原理图图1-4变面积型电容传感器原理图说明：（1） 由此可见电容 C 的相对变化C/Co 与直线位移x 呈线性关系，其测量的灵敏度为： dbaCxCK0 减小两极板间的距离 d，或增大极板的边长 b 可提高传感器的灵敏度，但d 的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大 b 则受到传感器体积的限制。（2）此结构类型的可测直

12、线位移变化。位移x 不能太大，极板的另一边长 a不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。2.角位移型电容式传感器图 1-4 右图为角位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也就改变了两极板间的电容量 C，此时电容值为： )1()1(0CdSC 00CCCC说明： 电容 C 的相对变化C/Co 与角位移也呈线性关系，因此可用来测量角位移智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势8的变化，理论测量范围 0-，但实际由于边缘效应等原因达不到该测量范围3.齿形极板的电容式线性位移传感器 图 1-1（j）是一齿形极板的

13、电容式线性位移传感器的原理图。它是图 1-2的一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿形极板的齿数为 n，移动x 后，其电容为： )()(0 xdbCndxabnC xdbnnCCC0灵敏度为： dbnxCK可见其灵敏度得到提高。1.3 变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图 3-5 为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。由图中可以看出，此时传感器的电容量为: 其中 202101220110220110AddxbdxbdxbdxbdxbC 1

14、021B)(ddxabC式中 b 为极板的另一边长。BACCC智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势9 图1-5 介质面积变化的电容传感器设极板间无介质时的电容量为: 21100ddbaC当介质 2 插入两极板间时，则有:1021202101BA)(ddxabddxbCCC212121001ddaxCC1021202101BA)(ddxabddxbCCC212121001ddaxCC则有: 212121001ddaxCCCC说明:(1)变面积介质传感器电容量的相对变化C/Co 与位移x 呈线性关系。(2) 该类型传感器可用来测介质厚度,鉴别介质种类或测量介质位移变化等.智能传感

15、器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势101.4 差动电容传感器 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式，如图 1-1（e）（h）所示。图 1-1（e）是改变极板间距离的差动电容式传感器原理图，中间一片为动片，两边的两片为定片，当动片移动距离为x 后，一边的间隙变为 dx，而另一边则变为 dx，因此，当动片移动后，两边的电容成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应地减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。图 1-1（f）（h）是改变极板间遮盖面积的差动电容传感器的原理图，以图 1-1（f）为例说明，上、下两个圆筒是定极片，而中间的为动片，当动片向上移动

16、时，与上极片的遮盖面积增大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然，因此，也可以实现两边的电容成差动变化。 第二章 电容式传感器的特点及应用中存在的问题2.1 特点1.优点：.温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。.动态响应

17、好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个 105N） ，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆 Hz 的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可以非接触测赖宁嘎，具有平均效应 例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势11采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的

18、静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感 0.01m 甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。2.缺点.输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达 108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。

19、容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上） ，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低） ，为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。.寄生电容影响大 电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m 导线可达 800pF） 、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安

20、装、接法都有要求。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途地传感器。2.2 应用中存在的问题1.等效电路 上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势12 图中 C 为传感器电容，Rp 为低频损 耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损

21、耗；Rs 为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L 为电容器及引线电感；Cp 为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑 L 的存在，会使传感器有效电容变化，从而引起传感器有效灵敏度的改变。 在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。2.边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度 h 与极距 之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的

22、影响，可以采用带有保护环的结构，如图下图所示。 保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。 3.静电引力 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势13测量误差。4.寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，

23、其电容量都很小(几 pF 到几十 pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。驱动电缆法它实际上是一种等电位屏蔽法。如图 4.11 所示：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为 1 的驱动放大器，(接线如图示)。 这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响 ；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、

24、具有容性负载、放大倍数为 1 的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于 1，且输出与输入的相移为零。为此有人提出，用运算放大器驱动法取代上述方法 。.整体屏蔽法以差动电容传感器 Cx1、Cx2 配用电桥测量电路为例，如图所示 U 为电源电压，K 为不平衡电桥的指示放大器。所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。本例中接地点选在两平衡电阻 R3、R4 桥臂中间，与整体屏蔽共地。这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容 C1 同测量放大器的输入阻抗智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势14相并联，从而可将 C1 归

25、算到放大器的输入电容中去。由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，C1 的并联也是不希望的,但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容 C3 及 C4 是并在桥臂 R3 及 R4 上，这会影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体 屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。.采用组合式与集成技术 一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。5.温度影响 环境温

26、度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面： .温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。.温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达 0.07%/；若环境温度变化50，则将带

27、来 7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。第三章 电容式传感器的测量电路电容式传感器的输出电容值非常（通常几皮法至几十皮法） ，因此不便直接显示、记录，更难以传输，为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量电路。智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势153.1 运算放大器式电路 图 3-1 所示为基本的运算放大器式电路，它由传感器电容 Cx、固定电容Co 及运算放大器 A 组成。其中 为电源电压， oU 为输出电压。 由于集成运放开环增益很高，所以它构成的基本运算电路均

28、可认为是深度负反馈电路，运放两输入端之间满足“虚短”和“虚断”，根据这两个特点很容易得出下式: 0sxoCj1Cj1UU即 : x0soCCUU将 dSCx 代入上式可得 : dSCUU0so 图3-1 运算放大式电路说明:(1)输出电压 Uo 与电容传感器两电极的间距成正比，这就从原理上解决了使用单个变间隙式电容传感器输出特性的非线性问题。由于实际的运算放大器不可能完全满足理想运放的条件，因此仍具有一定的非线性误差，但只要其输入阻sU智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势16抗和增益足够大，这种误差是相当小的。按这种原理已制成了能测出 0.1m 的电容式测微仪。(2)由上式可

29、知，输出电压 Uo 还与 Us 和 Co 有关，因此，该电路要求电源电压必须采取稳压措施，固定电容必须稳定。3.2 电桥电路 图 3-2 所示为交流电桥测量电路。图 3-2（a）为单臂接法的交流电桥测量电路，其中电容 C1，C2，C3，Cx 构成电容桥的四臂，Cx 为电容传感器。高频电源 sU 经变压器接到电容桥的一个对角线上，从桥路的另一个对角线取输出电压 。当电容式传感器输入的被测量 x=0，输出 Cx=Co 时，交流电衡，有: 321CCCCx Uo=0而当 x0 时，传感器输出为 Cx=Co+C，交流电桥失去平衡，Uo0，则可按电桥输出电压的大小来标定被测量 x。此种电路常用于料位自动

30、测量仪中。图 3-4（b）为差动电桥测量电路，其空载输出电压为: s0s0000o)()()()(UCCUCCCCCCCCU上式表明，差动接法的交流电桥电路的输出电压 Uo 与被测电容C 之间成线性关系。此种线路常用于尺寸自动检测系统中. 图3-2 电容传感器的交流电桥oU智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势173.3 调频电路 电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。 调频接收系统可以分为直放式调频和外差式调频两种类型。外差式调频线

31、路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗干扰性能优于直放式调频。 图 3-3（a）和（b）分别表示这两种调频系统。用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点：（1）抗外来干扰能力强；（2）特性稳定；（3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级） ；（4）因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机接口。 的边长b 可提图3-3 调频电路方框图3.4 谐振电路 图 3-4（a）为谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容 Cx 作为谐振回路（L2，C2，Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。工作原理: 当电容传感器的电容 Cx 发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变

32、化，相对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也就智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势18发生了变化，也就是说，该电路具有将电容 Cx 的变化转换为谐振回路两端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容 Cx变化量调制的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量的大小。制 为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一边，即最大振幅 Um 的 70%附近地方，如图 3-4（b）所示，且工作范围尽量选在接近线性的 BC 段内。这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；2）传感器与

33、谐振回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的影响较大；3）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。 3.5 脉冲宽度调制电路图3-4 电容传感器的谐振电路智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势19型的可测直线位移变化。位移x 不能太大，极板的另一边长 a 不宜过小，否则会因边缘工作原理: 如图 3-5 所示，设传感器差动电容为 C1 和 C2，当双稳态触发器的输出 A点为高电位，则通过 R1 对 C1 充电，直到 C 点电位高于参考电位 Uf 时，比较器 A1 将产生脉冲触发双稳态触发器翻转。在翻转前，B 点为低电位，电容 C2通过二极管 VD2 迅速放电。一旦

34、双稳态触发器翻转后，A 点成为低电位，B 点为高电位。这时，在反方向上又重复上述过程，即 C2 充电，C1 放电。当C1=C2 时，电路中各点电压波形如图3-6（a）所示。由图可见 A，B 两点平均电压值 UAB 为零。但是，差动电容 C1 和 C2 值不相等时，如 C1C2，则 C1 和 C2 充放电时间常数就发生改变，这时电路中各点的电压波形如图 3-6（b）所示，由图可见，A，B 两点平均电压值不再为零。当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出直流分量: T1 C1 的充电时间；T2 C2 的充电时间；U1 触发器输出的高电位由于 U1 的值是已知的，因此，输出直流电压 UAB 随 T1 和

35、 T2 而变，亦即随 UA 和 UB 的脉冲宽度而变，从而实现了输出脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位 Uf 小于 U1。由电路可得出，电容 C1 和 C2 的充电时间为: 图3-5 脉冲宽度调制电路12121ABoUTTTTUU智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势20f11111lnUUUCRTf11222lnUUUCRT电阻 R1=R2=R， 综合以上三式: 上式说明，直流输出电压正比于电容 C1 与 C2 的差值，其极性可正可负. 电压不小于 1000 kV/mm, 而空气的仅为 3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 上式中的(dg/ )

36、项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF 之间, 极板间距离在 25200m 的范围内, 最大位移应小于间距的 1/10, 故在微位移测 说明:()把平行板电容公式代入式（3.22）中，在变间隙的情况下可得: 11212ABoUddddUU式中 d1，d2 分别为 C1，C2 电极极板间的距离。当差动电容C1=C2=C0 时，即 d1=d2=d0 时，Uo=0。若 C1C2，设 C1C2，即 d1= d0d，d2= d0d，则式（3.23）即为: 10oUddU()在变面积的情况下有12121ABoUSSSSUU12121

37、ABoUCCCCUU图3-6 脉冲宽度调制电路电压波形图（3.23）智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势21式中 S1，S2分别为 C1，C2 电极极板面积。由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。 ()调宽电路还具有如下一些特点： 对元件无线性要求； 效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出； 调宽频率的变化对输出无影响； 由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。第四章 电容式传感器的应用电容式传感器应用比较广泛，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量的变化。下面简介电容式传感器

38、的应用情况。4.1 电容式位移传感器 图 4-1 是变面积式位移传感器的结构图，这种传感器采用了差动式结构。当测杆随被测位移运动而带动活动电极移动时，导致了活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化，这种传感器有良好的线性。 智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势22 4.2 电容式压力传感器电容式压力传感器 图 4-2 是一种典型的差动式电容压力传感器的结构图，该传感器主要由一个活动电极、两个固定电极和三个电极的引出线组成。动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件；固定电极为两块中凹的玻璃圆片，在中凹内侧，即相对金属膜片侧镀上具有良好导

39、电性能的金属层。 电容式压力传感器的工作原理为：当被测压力（或压差）作用于测量膜片（电容器的动片）而产生位移时，电容器的电容量也随之发生变化，经过测量电路，转换成相应的电压或电流的变化。 图4-2 差动式电容压力传感器图4-1 电容式位移传感器智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势234.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图 4-3 是一种空气阻尼的电容式加速度计。该传感器有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位

40、移大小正比于被测加速度，使 C1，C2 中一个增大，一个减小。 4.4 电容式液位传感器 电容式液位传感器是将被测介质液面变化转换为电容量变化的一种介质变化型电容式传感器。 图 4-4（a）是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介电常数发生变化，从而导致电容量的变化。 图 4-4（b）适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电极的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器。 图4-3 电容式加速度传感器智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势24例:电容式料位传感器 图 4-5 是电容式料位传感器结构示意图。 测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和

41、测定电极之间就形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响, 传感器的电容量将发生变化, 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关, 且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度 传感器的静电电容可由下式表示: 式中: k比例常数; 图4-4 电容液位传感器图4-5 电容料位传感器示意图dDhkcsln)(0智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势25 s被测物料的相对介电常数; o空气的相对介电常数; D储罐的内径; d测定电极的直径; h被测物料的高度 假定罐内没有物料时的传感器静电电容为 Co, 放入物料后传感器静电电容为 C1,

42、则两者电容差为 C = C1 - Co 由式上可见, 两种介质常数差别越大, 极径 D 与 d 相差愈小, 传感器灵敏度就愈高。4.5 电容式荷重传感器 电容式荷重传感器是利用弹性敏感元件的变形，造成电容随外加重量的变化而变化。 图 4-6 为一种电容式荷重传感器结构示意图。这种传感器的主要优点是测量误差小，受接触面的影响小，测量电路置于孔内，因而无感应现象，工作可靠，温度漂移可补偿到很小的程度。 结构原理:在一块弹性极限高的镍铬钼钢料的同一高度上打上一排圆孔，在孔的内壁用特殊的粘接剂固定两个截面为 T 形的绝缘体，并保持其平行又留有一定间隙，在 T 形绝缘体平面粘贴铜箔，从而形成一排平行的平

43、板电容。当钢块上端面承受重量时，将使圆孔变形，每个孔中的电容极板的间隙随之变小，其电容相应图4-6 电容荷重传感器智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势26地增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出所反映的结果是平均作用力的变化。4.6 电容式测厚仪 电容式测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的。它的变换器就是电容式厚度传感器，其工作原理如图 4-7 所示。在被测带材的上下两边各置一块面积相等，与带材距离相同的极板，这样极板带材就形成两个电容器（带材也作为一个极板）。把两块极板用导线连接起来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一个极板，其总电容: C=C1+C2。金属

44、带材在轧制过程中不断向前送进，如果带材厚度发生变化，将引起它与上下两个极板间距变化，即引起电容量的变化，如果总电容量 C 作为交流电桥的一个臂，电容的变化C 引起电桥不平衡输出，经过放大、检波、再放大，最后在仪表上显示出带材的厚度。这种厚度仪的优点是带材的振动不影响测量精度。 图4-7 电容测厚仪第五章 电容式传感器技术向智能化方向发展随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，智能传感器技术 智能电容式传感器的国内外现状与发展趋势27所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。 传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官

45、，承载系统的信息源，采集来自储水箱里的水温、水量等信息，在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足轻重的地位。 然而，传感技术在太阳能热水器的应用中由于受到恶劣使用环境的影响，一直很难保证长期可靠地运行，一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器，但是都没能从根本上解决品质问题，直到现在就连一年以上的使用寿命都还很难保障传感技术和智能控制技术的落后，已成为影响行业发展的最大瓶颈。对此我们认为，只有找准问题的症结所在，科学分析，逐一梳理，做到有的放矢，选择合适的传感技术，才能达到事半功倍的效果，制造出符合设计要求的理想产品。采用电容传感是解决传感器技术难题的必由之路 。电容传感技术投入应用已长达一

46、个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态 CO2，氨水，PVC 粉料，灰料，油水界面等液体位测量。目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。 电容式水位传感器是依据电容原理而制作，以耐高温耐腐蚀的聚四氟乙烯绝缘导线作为感应体，水作为电容的介质淹没感应导线越高，产生的电容量就越大，且能随着水位升降呈线性变化，控制系统通过检测电容量的大小变化来计取太阳能热水器储水箱里的水位，具有结构合理、动态范围大、分辨率高(水位显示可分成 100 档甚至是 1000 档)，无密封防水要求、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点

47、。但是，电容式传感器在太阳能热水器的实际应用中，由于太阳能热水器储水箱的内胆直径通常只有 3036 公分，可获取的电容变化量往往仅有几十个或100 来个皮法的大小，属于微弱电容的检测，若想有较高的显控精度，其测量值的准确性与稳定性显得优为重要。然而，电容式传感器恰恰在这方面存在严重缺陷：它的工作原理是需要根据被测量程对零水位点和满水位点的电容量进行预先设定，但在使用过程中随着温度、湿度、以及元器件的性能等因素的变化会产生寄生电容，而且是随机性的,其寄生电容甚至可以超过被测电容的变化量当发生此种现象后，尽管被测电容的变化量与水位变化的对应关系不会改变，可是由于预定的测量常数与实际电容量已不一致，控制系统所计取的水位与实际水位会有很大的误差，从而频频发生误控或失控事故，导致电容式传感器在太阳能热水器上没有实际使用价值，这也是电容式传感器迟迟未能大批量上市的主要原因。随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，智