第3章电容式传感器

1、3.1工作原理、结构及特性工作原理、结构及特性3.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3 实际中存在的问题及其解决方法实际中存在的问题及其解决方法 3. 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第第3章章 电容式传感器电容式传感器返回主目录第第3章章 电容式传感器电容式传感器1、概念 将被测非电量（位移量）的变化转换为电容量变化的传感器。2、特点 结构简单、灵敏度高、适应性强等。3、测量范围 广泛应用于力、压力、差压、位移、液位、振动、加速度等非电量测量 3.1 工作原理、结构及特性工作原理、结构及特性 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

2、量为dSc式中: 电容极板间介质的介电常数, =0r, 其中0为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; S两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。 （3-1） 当被测参数变化使得式（3 - 1）中的S、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。 因此, 电容式传感器可分为变极距型（变间隙型）、变面积型和变介质型三种类型。一、变面积型一、变面积型 电容两个极板中，一个固定不动，称为定极板；另一个可移动，称为动极板。 根据动极板相对定极板的移动情况，分为角位移式和直线

3、位移式。 dSc1、角位移式 当动极板有一个角位移时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。00dSC 101 0 00CdSdSCCC0CC 当0 时0CCK当=0 时可见输出输入为线性关系。角位移测量角位移测量2、直线位移型 式中C0=ab/d0为初始电容。电容相对变化量为 1 000axCdxabCCCxaxCoC当动极板移动x后0dbxCK灵敏度为可见输出输入为线性关系。二、二、 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器1、圆筒型结构 没有液体时，由大学物理可知，圆筒型电容器的电容量为rRhCln20当液位为x时 液位传感器的等效电路rRxrRxhCCCxln

4、2ln)(221bxCxrRrRhrRxxhxx0ln)(2ln2ln)(2式中： C=C-C0=bx 可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 rRbxln)(22、平板型结构 图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中, 从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为02000200021)(0)(11dLbCdLLLbcccrrrr 式中: L0, b0极板长度和宽度; L第二种介质进入极板间的长度。若电介质r1=1, 当L=0时, 传感器初始电容C0=0r1L0b0/d0。 当介质r2进入极间L后, 引起电容的相对变化为0000

5、) 1(2LLcccccr 可见, 电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。就不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数三、三、 变极距型变极距型（变间隙型）（变间隙型）电容传感器电容传感器 1、原理 变极距型电容式传感器的原理如图所示。当传感器的r和S为常数, 初始极距为d0时, 其初始电容量C0为00dSc 若电容器极板间距离由初始值d0缩小d, 电容量增大C, 则有 C1=C0+C=0000011/d

6、dCdddSddS 若电容器极板间距离由初始值d0缩小d, 电容量增大C, 则有 0000011/ddCdddSddS 可见, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是如图所示双曲线关系。此时C1与d近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时, 才有近似的线性输出。 0001ddddCC00ddCC0200dSdCdCK0200dSdCdCK00011ddddCC 另外另外, 由式可以看出由式可以看出, 在在d0较小时较小时, 对对于同样的于同样的d变化所引起的变化所引起的C可以增大可以增大, 从从而使传感器灵敏度提高。但而使传感器灵敏度提高。但d0过小过小, 容

7、易容易引起电容器击穿或短路。为此引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。作介质。2、变极距型平板电容式传感器的灵敏度及非线性、变极距型平板电容式传感器的灵敏度及非线性由泰勒级数：由泰勒级数：1/(1-x)=1+x+x2+xn+(-1x1)当当 1/0dd时，则上式可按级数展开，故得时，则上式可按级数展开，故得 由式可见由式可见, 输出电容的相对变化量输出电容的相对变化量C/C与输入位移与输入位移d之之间间呈非线性关系。当呈非线性关系。当|d/d0|1 时，可略去高次项时，可略去高次项, 得到近似得到近似的

8、线性：的线性： 电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为001ddCCK 它说明了它说明了变极距型电容传感器灵敏度的大小与变极距型电容传感器灵敏度的大小与d0呈反比关呈反比关系。系。 00ddCC30200001ddddddddCC 由式可以看出由式可以看出: 要提高灵敏度要提高灵敏度, 应减小起始间隙应减小起始间隙d0, 但非但非线性误差却随着线性误差却随着d0的减小而增大。的减小而增大。 30200001ddddddddCC001ddCCK 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。大都采用差动式结构。三、差动结构电容传

9、感器三、差动结构电容传感器1、变极距型差动式电容传感器变极距型差动式电容传感器 变极距型差动平板式电容变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。传感器结构示意图。 在差动式平板电容器中，当动极板上移在差动式平板电容器中，当动极板上移d时，电容器时，电容器C1的的间隙间隙d1变为变为d0-d，电容器，电容器C2的间隙的间隙d2变为变为d0+d, 则则 00000211110ddCdddSddSCCC00000111110ddCdddSddSCCC在在d/d01时时, 按级数展开得按级数展开得 3020002302000111ddddddCCddddddCC电容值总的变化量为电容值总的变化量为 50

10、300021221ddddddCCCCCC由泰勒级数：由泰勒级数：1/(1+x)=1-x+x2+xn+(-1x C2时时, 则则1 = R1 C12 = R2 C2 。由于充放。由于充放电时间常数变化电时间常数变化, 使使电路中各点电压波电路中各点电压波形产生相应改变。形产生相应改变。输出电压不为零。输出电压不为零。 如图如图 3 - 13（b）所示）所示, 此时此时uA、uB脉冲宽度不再相等脉冲宽度不再相等, 一一个周期（个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压电压经低通滤波器滤波后经低通滤波器滤波后, 可获得输出可获得输出2121121211

11、1)(TTTTUTTTUTUuuuBAAB由一阶电路三要素法：由一阶电路三要素法：)()()0()(ffftfet式中式中: U1触发器输出高电平触发器输出高电平;T1、T2C1、C2充放电至充放电至UF所需时间。所需时间。 由三要素法可得由三要素法可得: 将将T1、T2代入式代入式21211111)(lnTTTTUCRTrUUUCRT22222ln12121UCCCCuAB21211)(TTTTUuAB可得可得 把平行板电容的公式代入上式把平行板电容的公式代入上式, 在变极板距离的情况下可在变极板距离的情况下可得得12112UdddduAB式中式中d1、d2分别为分别为C1、C2极板间距离。

12、极板间距离。 当差动电容当差动电容C1 = C2 = C0, 即即d1 = d2 = d0时时, uAB = 0; 若若C1 C2, 设设C1 C2, 即即d1 =d0 -d, d2 = d0+d, 则则1UdduAB1UAAuAB同样同样, 在变面积电容传感器中在变面积电容传感器中, 则有则有12121UCCCCuAB 由此可见由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器距离以及变面积式差动式电容传感器, 并并具有线性具有线性特性特性, 且且转换效率高转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直经过低通放大器就有较大的直流输出流输出,

13、且且调宽频率的变化对输出调宽频率的变化对输出没有影响没有影响。 三、调频电路三、调频电路1.原理原理 调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加必须加入鉴频器入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化将频率的变化转换为电

14、压振幅的变化，经过放大就，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频式测量电路原理框图可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频式测量电路原理框图如图所示。如图所示。 图中调频振荡器的振荡频率为图中调频振荡器的振荡频率为 LCf21式中： L振荡回路的电感； C振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容, C2为传感器引线分布电容, Cx=C0C为传感器的电容。 LCf21特点： 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度， 可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量， 并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可以发送、 接收， 以达到遥测遥控的目的。 3.

15、3 实际中存在的问题及其解决方法实际中存在的问题及其解决方法一、温度对结构尺寸的影响；一、温度对结构尺寸的影响；二、电容电场的边缘效应；二、电容电场的边缘效应；三、寄生电容的影响。三、寄生电容的影响。3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距d、相对面、相对面积积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测转换成极距或者面积、介电

16、常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。 不但广泛应用于不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动精确测量位移、厚度、角度、振动等机械量等机械量，还可以进行，还可以进行力、压力、差压、液位、流量、力、压力、差压、液位、流量、加速度等非电量测量加速度等非电量测量。一、压力测量一、压力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各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构

17、1高压侧进气口高压侧进气口 2低压侧进气口低压侧进气口 3过滤片过滤片 4空腔空腔 5柔性不锈钢波纹柔性不锈钢波纹 隔离膜片隔离膜片 6导压硅油导压硅油 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9弹性平膜片弹性平膜片 10 腔腔特点： 适用于绝对压力很高但差压很小的场合，精度高、耐振动、耐冲击、可靠性好；但工艺要求很高（感压膜片的焊接）。XYB-1151电容式压力电容式压力/差压变送器整机及零部件差压变送器整机及零部件产品规格DP:0-0.125-1.5KPa ；GP3、 DP3:0-1.3-7.5KPa ；GP4、DP4:0-6.2-37.4KPa ；GP5、DP5:0-3

18、1.1-186.8KPaGP6、DP6:0-117-690KPa； GP7、DP7:0-0.345-2.068KPaGP8、DP8:0-1.17-6.89MPa ；GP9:0-3.45-20.68MPa GP0:0-6.89-41.37MPa 精 度：0.5% 0.25% 静 压：.89MPa/13.79MPa/31.2MPa产品优点产品优点测量介质：液体、气体、蒸汽 测量范围：160pa(F.S)-10Mpa(F.S) 测量精度：0.5%(F.S),0.25%(F.S)温度范围：放大器工作在-29-93敏感元件工作在-40-104压力接口：1/2-14NPT,1/4-18NPT现场指示：有指

19、针式和液晶数字式压力敏感元件为全密封电容式供电电压：DC24V输出信号：4-20mA正负迁移：最大负迁移为最小量程的600%最大正迁移为最小量程的500%主要市场主要市场电力、石油、化工、冶金等行业2、位移测量、位移测量探头与被测金属件表面形成的电容为dSCxS探头端面积；d探头与被测件表面的距离。3、厚度测量、厚度测量 总电容C等于两种介质分别组成的两个电容C1与C2的串联。即xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCCCXXXXXXXX)(2121CBRR0C1C2C1L2L把角度信号转化为标准模拟信号 测量范围：05/0270度 非接触式电容原理 精度：0.5% 扭力：0.001NCM 输

20、出：01/5/20mA 420mA 2线制/3线制/4线制 根据现场状况可选择不同前轴后轴 零点和满量程可以调节 供电：12230V AC/DC 厂商厂商: 德国GMC仪器仪表 4、角度测量：、角度测量：KINAX 3W2 角位变送器角位变送器 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块质量块在惯性空间中相对静止在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变

21、化, 一一个增加个增加, 一个减小一个减小, 从而使从而使C1、 C2产生大小相等产生大小相等, 符号相反的增量符号相反的增量, 此增此增量正比于被测加速度。量正比于被测加速度。质量块（动极板）质量块（动极板）aC1C2m5、加速度测量、加速度测量 图示为差动式电容图示为差动式电容加速度传感器结构图。加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与它有两个固定极板（与壳体绝缘）壳体绝缘）, 中间有一用中间有一用弹簧片支撑的质量块弹簧片支撑的质量块, 此此质量块的两个端面经过质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。板（与壳体电连接）。汽车气囊的保护作用汽车气囊的

22、保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞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时，经控制系统使气囊迅速充气 。 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。 电容随料位高度h变化的关系为：dDhkCln)(01式中: k比例常数; 1被测物料的相对介电常数; 0空气的相对介电常数; Dd检测电路检测电路测定电极测定电极储罐储罐0 01 1h 6、 电容式料位传感器电容式料位传感器 D储罐的内径; d测定电极的直径; h被测物

23、料的高度。 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。 dDhkCln)(01 棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大。的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位计液位计 它是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，变化的振幅和频率由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。 动圈式话筒构造原理动圈式话筒构造原理 动圈式话筒使用简单，牢固可靠、性能稳定、价格便宜，但瞬态响应和高频特性不如电容式传声器。 电容传声器电容传声器 电容传声器是靠电容量的变化而工作的。 主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的