第6章电容式传感器

1、第6章 电容式传感器6.1 6.1 电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式6.2 6.2 传感器的等效电路传感器的等效电路6.3 6.3 传感器的信号调理电路传感器的信号调理电路6.4 6.4 影响传感器精度的因素影响传感器精度的因素6.5 6.5 传感器应用传感器应用u工作原理：工作原理：利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化。的变化。u优点：优点：结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接触测量。触测量。u缺点：缺点：电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不

2、电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不稳定；有的类型传感器输出特性为非线性。稳定；有的类型传感器输出特性为非线性。u应用：应用：位移、振动、加速度、压力、液位、湿度等。位移、振动、加速度、压力、液位、湿度等。6.1 6.1 电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式相对介电常数介质、真空中介电常数、极板间距极板相对覆盖面积当忽略边缘效应时00rrdAdAdAC电容式传感器的电容极板之间存在静电场。由于极板边缘效应的存在，使边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应，这相当于在传感器的电容里并联了一个附加电容，边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因

3、此应尽量减小并消除电容边缘效应的影响。 根据电容器变化参数的不同，分为3种类型： 变间隙式：测量微小（0.01m-零点几m m ）线位移； 变面积式：测量角位移或较大线位移； 变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度。6.1.1 变间隙式电容传感器dAdACr0000003020000000000000001)()()(1 /1/)ddd(ddCdCSddCCddddddddddddddCCdAddACdACn传感器灵敏度得近似线性关系当电容相对变化，电容增量设减小当初始电容母、塑料膜。介电常数的材料，如云为此，极板间可采用高穿或短路，但容易引起电容器击应减小可见，要提高灵敏度，0d2

4、2102211021/111ddAddACCCC有了云母片，极板间起始距离可大大减小。差，应增大可见，要减小非线性误）（则相对非线性误差）（若考虑线性项与二次项得近似线性关系00020000000302000000%100|%100|1, 1)()()(1 /1/dddddddddddCCddCCddddddddddddddCC非线性误差分析非线性误差分析差动式电容传感器差动式电容传感器%100)(22000dddCdCSn非线性误差传感器灵敏度差动结构的优点：差动结构的优点：p灵敏度提高一倍；灵敏度提高一倍；p非线性误差大大下降；非线性误差大大下降；p还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响

5、造成的误差。还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。6.1.2 6.1.2 变面积式电容传感器变面积式电容传感器（1 1）角位移式）角位移式dACCCdACdAC电容增量时，当时，当000)1 (00可见，电容量与角位移成线性关系可见，电容量与角位移成线性关系, ,但灵敏度较低。但灵敏度较低。（2 2）直线位移式）直线位移式dbxCSxdbCCCdxbCdxabCdbaCnxx灵敏度000)( 增大极板边长增大极板边长b b，减小间隙，减小间隙d d，都可以提高灵敏度。但边长，都可以提高灵敏度。但边长a a过大，边过大，边缘效应会影响线性特性。缘效应会影响线性特性。6.1.3 6.

6、1.3 变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器（1 1）测量液位）测量液位正比于被测液位高度可见，变换器电容增量此时变换器电容dDhCdDhCdDhdDhdDhHdDhCCCln2ln)(2ln)(2ln2ln)(2ln2101121（2 2）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质湿度电固体介质湿度成线性关系。的移动量质可见，电容变化量与介电容相对变化量初始电容总电容量LLLCCCCCdbLCdLLLbCCCrrrr2) 1()(000000000000021221变介电常数式测线位移变介电常数式测线位移0 0

7、1 1d d0 0d d1 1如果如果0 0 为空气介电常数，为空气介电常数， 1 1为待测体介电常数，当待测体为待测体介电常数，当待测体介电常数介电常数1 1不变时，此时电容传感器可作为测厚仪。不变时，此时电容传感器可作为测厚仪。 另外，某些电介质是温度灵敏的，因此可做成用于火灾报警另外，某些电介质是温度灵敏的，因此可做成用于火灾报警的传感器装置。的传感器装置。6.2 电容式传感器的等效电路Rp极板间的泄漏电阻和介质损耗 Rs引线电阻、电容器支架、极板电阻损耗L电容器本身电感和外部引线电感 因此，它有一个谐振频率，传感器要正常工作，应选择低于传感器谐振频率的工作频率，否则，电容器不能正常工作

8、。6.3 6.3 电容式传感器的信号调理电路电容式传感器的信号调理电路 1. 电桥电路电桥电路2.2.调频电路调频电路3.3.谐振电路谐振电路4.4.运算放大器电路运算放大器电路5.5.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路6.6.正反馈同相积分电路正反馈同相积分电路To Two目的：传感器电容值及电容变化量均非常微小，必须通过信号调理电路将微小电容变换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输。1. 1. 电桥电路电桥电路滤波滤波K相敏相敏检波检波L1L2C1C2To 4.2.3C1C1、C2C2是差动电容传感器的两个电容，另外两个臂可以是电阻、是差动电容传感器的两个电容，

9、另外两个臂可以是电阻、电感、电容，也可以是变压器的两个次级线圈。当电源电压电感、电容，也可以是变压器的两个次级线圈。当电源电压恒定时，电桥输出电压与电容传感器输入位移成正比。恒定时，电桥输出电压与电容传感器输入位移成正比。 电路灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，因此简化屏蔽和接地，适于高频工作，应用很广泛。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。00ddEU 将传感器作为振荡器谐振回路的一部分，调频振荡器的谐振频率f为当输入量使电容量发生变化后，振荡器的振荡频率就发生变化，通过鉴频器将频率变化转化为振幅的变化，经放大后用仪表指示。特点：抗外界干扰强，特性稳定。

10、LCf21To 4.2.3调频振调频振荡器荡器传感器传感器混频器混频器限幅限幅放大器放大器鉴频器鉴频器非线性非线性校正校正输出输出 f0fz调频振调频振荡器荡器fb直放式调频电路方框图直放式调频电路方框图ffCCCLLCfCCCLCCCLf02010212010)C(2121)(21器的振荡频率被测量不为零时，振荡：传感器初始电容：传感器引线分布电容：振荡回路固定电容：振荡回路电感调频振荡器的固有频率3. 3. 谐振电路谐振电路 将传感器电容将传感器电容C C3 3作为谐振回路调谐电容（作为谐振回路调谐电容（L L2 2、C C2 2、C C3 3）一部分。）一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳

11、定的高频振荡器取得振荡电压。当传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。当传感器电容感器电容C3C3变化时，使得谐振回路阻抗发生相应变化，而这个变化变化时，使得谐振回路阻抗发生相应变化，而这个变化又表现为整流器电流变化。该电流经过放大后即可指示出输入量的又表现为整流器电流变化。该电流经过放大后即可指示出输入量的大小。大小。特点：特点：灵敏度高；灵敏度高；缺点：工作点不易选取，变化范围较窄；传感器与谐振回路要缺点：工作点不易选取，变化范围较窄；传感器与谐振回路要离得较近，否则电缆杂散电容对电路影响大；要求振荡器频率离得较近，否则电缆杂散电容对电路影响大；要求振荡器频率稳定，否则对测

12、量精度影响大。稳定，否则对测量精度影响大。4. 4. 运算放大器式电路运算放大器式电路 特点：特点： 能够克服变间隙电容式传感器的非线性，使能够克服变间隙电容式传感器的非线性，使VX 成线性关系成线性关系。To 4.2.3iu 0CxCou oIxII-K5. 5. 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 6.4 6.4 影响电容传感器精度因素及提高精度的措施影响电容传感器精度因素及提高精度的措施 To Two6.4.1. 6.4.1. 温度的影响温度的影响1) 对结构尺寸的影响对结构尺寸的影响 原因：温度变化引起部分零件尺寸变化，导致极板间隙或面积变化，原因：温度变化引起部分零件尺寸变化，导致极板

13、间隙或面积变化，产生附加电容产生附加电容。 制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料，如陶瓷或石英上制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料，如陶瓷或石英上喷镀一层金属作为电极。喷镀一层金属作为电极。 2) 对介电常数的影响对介电常数的影响 原因：介质的介电常数有不为零的温度系数，产生附加电容。原因：介质的介电常数有不为零的温度系数，产生附加电容。 可由后续测量线路进行补偿，但不可完全消除。可由后续测量线路进行补偿，但不可完全消除。使传感器灵敏度下降使传感器灵敏度下降输出产生零位漂移输出产生零位漂移To Two6.4.2 6.4.2 漏电阻漏电阻l选用绝缘性能良好的材料作两极板支架，如陶瓷

14、、石英等；l采用高的激励电源频率，降低传感器内阻抗。 电容式传感器的电容量很小，如果激励频率较低时，内阻抗就很高，所以电容式传感器的电容量很小，如果激励频率较低时，内阻抗就很高，所以绝缘问题就很突出。一般的绝缘电阻将被看做是对电容式传感器的一个绝缘问题就很突出。一般的绝缘电阻将被看做是对电容式传感器的一个旁路，与之并联，称为漏电阻。旁路，与之并联，称为漏电阻。使传感器灵敏度下降使传感器灵敏度下降非线性增加非线性增加To Two6.4.3 6.4.3 边缘效应边缘效应l增大初始电容，即增大极板面积或减小极板间距l加装等位环，使之与极板具有相同的电位使边缘效应发生在等位环外围寄生电容：寄生电容：电

15、容器极板与周围物体、连接电缆之间产生的电容联系。电容器极板与周围物体、连接电缆之间产生的电容联系。危害：危害：使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。To Two6.4.4 6.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响l措施：将后续电路的前级放置在紧靠传感器的地方，以尽量减少电缆长度及位置变化带来的影响（集成化）。l驱动电缆法（等电位屏蔽法）因为寄生电容的根本原因是电容传感器的因为寄生电容的根本原因是电容传感器的两极板引出线之间存在电位差所造成。两极板引出线之间存在电位差所造成。l采用双层屏蔽导线，采用双层屏蔽导线， 采用一个采用

16、一个1:11:1的驱的驱动放大器，输入端接芯线，输出端接内屏动放大器，输入端接芯线，输出端接内屏蔽线，由于放大器使芯线和内屏蔽线等电蔽线，由于放大器使芯线和内屏蔽线等电位，从而消除连线分布电容的影响。位，从而消除连线分布电容的影响。l一般用于当电容传感器的电容值很小，一般用于当电容传感器的电容值很小，而因某些原因，测量电路只能与传感器分而因某些原因，测量电路只能与传感器分开时，可采用这种方法。开时，可采用这种方法。l整体屏蔽法将整个电桥用一个统一的屏蔽罩保护起来将整个电桥用一个统一的屏蔽罩保护起来1.1.电容式测微仪电容式测微仪 用以测量金属表面状况、距用以测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等参

17、数，一般采用离尺寸、振幅等参数，一般采用单极式变间隙电容传感器单极式变间隙电容传感器, ,即被即被测物体作为传感器的一个极板，测物体作为传感器的一个极板，另一个极板在传感器内，最小检另一个极板在传感器内，最小检测量为测量为0.010.01m m。6.5 6.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2.2.差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器To Two（动电极）（动电极）（固定电极）（固定电极）（固定电极）（固定电极） 当被测压力或压差作用于膜片并产生位移时，形成一个差动式极距型传感器。3.3.电容式液位传感器电容式液位传感器4.4.硅电容式加速度传感器硅电容式加速度传感器 当有加速度施加

18、时，活动极板（质量块）将产生微小位移，引起电容变化，此由开关电容电路检测形成两路脉宽调制信号。而这种脉宽调制信号产生的静电力总是阻值活动电极偏离零位，且与加速度成正比。6.6 小结小结电容式传感器有如下特点电容式传感器有如下特点 参数变化大、极低的内耗性能参数变化大、极低的内耗性能 、高的动态响应。、高的动态响应。To Two 电容式传感器电容式传感器缺点缺点 寄生电容影响大、非线性。寄生电容影响大、非线性。 本章需掌握的重点本章需掌握的重点 1 1）工作原理及结构型式；）工作原理及结构型式； 2 2）C C的特性；的特性； 3 3）等效电路；）等效电路； 4 4）影响精度的因素及提高精度的措施；）影响精度的因素及提高精度的措施； 5 5）信号调节电路。）信号调节电路。如图如图4 4，某单组式变面积型圆柱形结构线位移电容传感器，外圆筒，某单组式变