第三章电容传感器

1、第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一、电容式传感器的工作原理一、电容式传感器的工作原理 电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。的参数之间的关系。 工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围应用范围: :位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量AC0+ A 、A A或或发生变

2、发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。设平板电容器两极板间距离为设平板电容器两极板间距离为，有效覆盖面积为，有效覆盖面积为A A，极板，极板间介质的相对介电系数间介质的相对介电系数，真空介电常数，真空介电常数 ，则电容器的，则电容器的电容量为电容量为 0一、电容式传感器工作原理a)a)极距极距变化型变化型+AC0+S动极板动极板定极板定极板 若极板间距减小若极板间距减小，则电，则电容将增大容将增大C。000(1)()ssCCCCC01CC2301CC因因，忽略高次项，忽略高次项 0CC 上式表明，在上式表明，在 条件下，电容的变化与极板条件下，电容的变化与极板间距变化量近似

3、是线性关系。间距变化量近似是线性关系。 时，展开位级数形式11 欲提高灵敏度，应减小间隙欲提高灵敏度，应减小间隙，但受电容器击，但受电容器击 穿电压的限制；穿电压的限制； 非线性随相对位移的增加而增加，为保证一非线性随相对位移的增加而增加，为保证一 定的线性度，应限制动极板的相对位移量。定的线性度，应限制动极板的相对位移量。 为改善非线性，可以采用差动式。为改善非线性，可以采用差动式。0.02 0.1 C1C2 动极板上移动极板上移 1，则，则C1增大，增大，C2减小，初始电减小，初始电容用容用C0来表示，则来表示，则 ：23101dddCCddd23201CC差动电容器输出：差动电容器输出：

4、312022CCCC忽略高次项：忽略高次项： 02CC 灵敏度提高灵敏度提高一倍，非线性误一倍，非线性误差减小。差减小。 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+AC0平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型. .AC0C 变面积型电容传感器变面积型电容传感器bax 设两矩形极板间覆盖面积为设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动，当动极板移动X，则，则面积面积S发生变化，电容量也改变。发生变化，电容量也改变。 0.().b axbCCx0bCCCx 0()CCbkxa 灵敏度：灵敏度：（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数） 线

5、位移线位移角位移角位移单组式单组式差动式差动式)ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC021212)ln(2)ln()(2)(ln21 平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。的结构。 可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。度为一常数。 增大初始电容增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；可以提高传感器的灵敏度； 极板宽度极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太的大小

6、不影响灵敏度，但不能太 小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大； X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器变化不能太大，否则边缘效应会使传感器 特性产生非线性变化。特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。的）。c) c) 介质变化型介质变化型AC0二、变介电常数型电容传感器二、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介质的温度和湿度等）（主要测量厚度、液位、介质的温度和湿度等）xh2r2R01类型类型1： 被测液体的液面在电容被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱式传感器元

7、件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。化，导致电容的改变。 1液体介质介电常数；液体介质介电常数；0空气中介电常数（空气中介电常数（F/m）；）； h电极板总长度（电极板总长度（m）；）； r内电极板外径（内电极板外径（m）；）； R外电极板内径（外电极板内径（m）；）； x液面高度（液面高度（m）。）。 可见，输出电容可见，输出电容C与液面高度与液面高度 x 成线性关系。成线性关系。01022()lnlnhxCRRrr 液面高度液面高度类型类型2：d面积面积S气隙气隙0r 当某种介质在两当某种介质在两

8、固定极板间运动时，固定极板间运动时，电容输出与介质参数电容输出与介质参数之间的关系为：之间的关系为：0rSCdd d 运动介质的厚度（运动介质的厚度（m）可见：可见： 若厚度若厚度 d 保持不变，介电常数保持不变，介电常数r 改变（如湿改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；度变化），可做成湿度传感器； 若若r不变，可做成测厚传感器不变，可做成测厚传感器 一、交流电桥电路一、交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4V 将电容传感器接入电桥的一将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：个臂，不平衡电桥输出：3121242121234()ZZ ZZZZVVZZZZZZ 为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两

9、个电容（一个单为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有，输出信号相移有0、90、180。 电路的主要特点：电路的主要特点： 必须接成差动形式使用；必须接成差动形式使用； 电桥的交流激励源的幅值和频率电桥的交

10、流激励源的幅值和频率 要稳定；要稳定； 要求后续电路输入阻抗无限大。要求后续电路输入阻抗无限大。二、差动脉冲宽度调制电路二、差动脉冲宽度调制电路 差动脉冲调宽电路利用差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充对传感器电容的充放电放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此此引起平均直流分量的变化引起平均直流分量的变化。 双稳态双稳态触发器触发器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比较器比

11、较器循循环环工工作作U0平均值为零平均值为零U0平均值不为零平均值不为零1211121212110uTTTTuTTTuTTTuuuBAruuuCRT11111lnruuuCRT11222ln设设R1=R2与电容差值成正比与电容差值成正比121210uCCCCu三、运算放大器式电路三、运算放大器式电路 这种线路的最大特点是从原理上克服单这种线路的最大特点是从原理上克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使个变间隙电容式传感器的非线性，使输出与输出与输入动极板位移成线性关系输入动极板位移成线性关系。 反相放大电路反相放大电路反馈元件是传感器电容反馈元件是传感器电容CxC是固定电容是固定电容电源电压电源

12、电压u理想运放理想运放uCCuCjCjuxx)/(1)/(10将将/SCx代入代入SuCu0输出电压与电容极板间距输出电压与电容极板间距成线性关系，从原理上保成线性关系，从原理上保证了变极距型电容传感器证了变极距型电容传感器的线性。的线性。4-3 4-3 影响电容式传感器精度的因素影响电容式传感器精度的因素 及提高精度的措施及提高精度的措施l 电容传感器的特点电容传感器的特点1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采如电极

13、的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2、结构简单、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，强磁场等恶劣环境中工作。射，强磁场等恶劣环境中工作。3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。4、可以实现非接触测量、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心具有平均效应：非

14、接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。测量的影响。5、耗能低、耗能低1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。的要求较高（几十兆欧以上）。2、寄生电容影响大：由于电容传感器起的初始电容值、寄生电容影响大：由于电容传感器起的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（12

15、m导线导线可达到可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。一、温度对电容式传感器的影响一、温度对电容式传感器的影响 环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或

16、面积发生改变，变，。这一点对于空间隙电容式。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而变化，从而。 为减小这种误差为减小这种误差 一般尽量选取温度系数小和温度系数稳一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在材料选用低膨胀系数的镍

17、铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。 采用差动对称结构，并在测量线路中对采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。温度误差加以补偿。 温度变化对介质介电常数的影响温度变化对介质介电常数的影响 使传感器电容改变，带来温度误差。温度使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异。对介电常数的影响随介质不同而异。 这种温度误差可用后接的测量线路进行一这种温度误差可用后接的测量线路进行一定的补偿，而完全消除是困难的。定的补偿，而完全消除是困难的。二、漏电阻的影响（绝缘性能）二、漏电阻的影响（绝缘性能）

18、 电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响。用对系统总灵敏度的影响。 这主要是这主要是采用高质量的绝缘材料及采用合理采用高质量的绝缘材料及采用合理的结构加以解决的结构加以解决。 三、边缘效应与寄生参量的影响三、边缘效应与寄生参量的影响 1、边缘效应、边缘效应 理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电

19、容量计算的一种假极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。定。 当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响缘效应的影响， 为克服边缘效应，首先应增大初始电容量为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即，即增大极板面积，减小极板间隙。增大极板面积，减小极板间隙。 在结构上增设等位环来消除边缘效应。在结构上增设等位环来消除边缘效应。 均匀电场均匀电场等位环等位环电极电极电极电极边边缘缘电电场场边边缘缘电电场场等位环安放等位环安放在上面电极外，且与在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的这样就能使上电

20、极的边缘电力线平直，两边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发而发散的边缘电场发生在等位环的外周不生在等位环的外周不影响工作。影响工作。 2、寄生参量、寄生参量 一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响。响。 .增加原始电容值增加原始电容值.注意传感器的接地和屏蔽（右图）注意传感器的接地和屏蔽（右图）

21、.将传感器与电子线路的前置将传感器与电子线路的前置 级装在一个壳体内（集成化）级装在一个壳体内（集成化）测量电路测量电路前置级前置级+1:1内层屏蔽内层屏蔽外层屏蔽外层屏蔽Cx 在电容传感器与测量线路在电容传感器与测量线路前置极间前置极间采用双层屏蔽电缆采用双层屏蔽电缆。这种接法使这种接法使传输电缆的芯线与传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位内层屏蔽等电位，消除了芯线，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。抗匹配的作用。.采用采用“驱动电缆驱动电缆”技术技术等

22、电位屏蔽法等电位屏蔽法.采用运算放大器法采用运算放大器法所谓整体屏蔽是将整个所谓整体屏蔽是将整个电桥电桥(包括电源、电缆包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其等）统一屏蔽起来，其关键在于正确选取接地关键在于正确选取接地点。点。u0与传感器电容相并联的与传感器电容相并联的为等效电容为等效电容CP /（1+A）.整体屏蔽整体屏蔽四、防止和减小外界干扰四、防止和减小外界干扰 注意传感器的接地和屏蔽注意传感器的接地和屏蔽 增加原始电容值，降低容抗增加原始电容值，降低容抗 导线分布合理导线分布合理 尽可能一点接地尽可能一点接地 尽量采用差动式电容传感器尽量采用差动式电容传感器4-4 4-4 电容式传感器的应

23、用电容式传感器的应用量程量程精度精度分辨力分辨力变极距型变极距型0.01几百微米几百微米0.01 m0.001 m变面积型变面积型零点几零点几几百毫米几百毫米 优于优于0.5%0.010.001 m一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器 二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器 这里有两个固定极板，极板这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两绝

24、对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于生位移，此位移大小正比于被测加速度，使被测加速度，使c1，c2中一中一个增大，一个减小。个增大，一个减小。三、电容式压力传感器三、电容式压力传感器 工作原理工作原理将测量膜片与电容极板之将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。电压电流转换成标准信号。用用 途途用于气体、液体、蒸气压用于气体、液体、蒸气压力的测量力的测量高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的

25、位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器电容式差压变送器 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波柔性不锈钢波 纹隔离膜片纹隔离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹性平膜片 1010 腔腔电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 各种电容式差压变送各种电容式差压变送器外形器外形 利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成

26、正比： p = g h电容差压变送器用电容差压变送器用于测量液体的液位于测量液体的液位 投入式水位计投入式水位计加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰撞，据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气控制系统使气囊迅速充气 。 电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），