《检测技术》-01-4-电容式传感器-修订

1、1.4 电容式传感器1.4.1 1.4.1 工作原理与类型工作原理与类型1.4.2 1.4.2 转换电路转换电路1.4.3 1.4.3 性能、特点及设计要点性能、特点及设计要点1.4.4 1.4.4 电容传感器应用电容传感器应用1.4.5 1.4.5 电容式集成传感器电容式集成传感器 1.4.1 工作原理和类型 定义：定义：将被测非电量的变化转换为电容量将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。变化的传感器。 应用：应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。位移、加速度、液位、振动及湿度。 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器平板电容器, , 如果不

2、考虑边缘效应如果不考虑边缘效应, , 其电容量为其电容量为 一、原理一、原理0rSSC 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 ; 两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得式中的S, 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、变面积型和变介质型三种类型。 二、二、 类型类型: : 1 1 变极距（间距）型电容传感器变极距（间距）型电容传感

3、器 当传感器的当传感器的和和S S为常数为常数, , 初始极距为初始极距为 时时, , 可可知其初始电容量知其初始电容量C C0 0为为0SC若电容器极板间距若电容器极板间距 因被测量变化而变化因被测量变化而变化 时，则有时，则有 0SSSCC 原理非线性，实际中作成差动式来改变其非线性原理非线性，实际中作成差动式来改变其非线性 一般变极板间距离电容式传感器的起一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在始电容在 2020100pF100pF之间之间, , 极板间距离在极板间距离在2525200m200m的范围内的范围内, , 最大位移应小于间距最大位移应小于间距的的1/10, 1/10, 故在微

4、位移测量中应用最广。故在微位移测量中应用最广。2. 2. 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器圆柱形电容器的电容量圆柱形电容器的电容量212ln(/ )lCrr当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动 时，电容变化量为时，电容变化量为l212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr212ln(/ )lrr0lCl具有良好线性具有良好线性r1r2l同心圆筒形电容器同心圆筒形电容器 变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张, 绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。3. 3. 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器3. 3. 变介

5、电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度同心圆柱状极板，插入液体同心圆柱状极板，插入液体深度深度h h，两极板间构成电容，两极板间构成电容式传感器（并联）式传感器（并联）12ccc122()lnlnhHhDDdddDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 电容式传感器中电容值以及电容变化电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小值都十分微小, , 这样微小的电容量还不能这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示直接为目前的显示仪表所显示, , 也很难为也

6、很难为记录仪所接受记录仪所接受, , 不便于传输。这就必须借不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量助于测量电路检出这一微小电容增量, , 并并将其转换成与其成单值函数关系的电压、将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电流或者频率。1.4.2 转换电路转换电路转换电路 电容转换电路有电容转换电路有: : 调频电路调频电路 运算放大器式电路运算放大器式电路 二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥 脉冲宽度调制电路等脉冲宽度调制电路等实现将微小的电容变化转换为电压或频率等信号实现将微小的电容变化转换为电压或频率等信号电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路一、调频测量

7、电路一、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变化。 虽然可将频率作为测量系统的输出量虽然可将频率作为测量系统的输出量, , 用用以判断被测非电量的大小以判断被测非电量的大小, , 但此时系统是非但此时系统是非线性的线性的, , 不易校正不易校正, , 因此加入鉴频器因此加入鉴频器, , 将频将频率的变化转换为振幅的变化率的变化转换为振幅的变化, , 经过放大就可经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图电路原理框图如图 所示。所示。调频振荡器的振荡

8、频率为调频振荡器的振荡频率为21)(21LCf式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。 当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, f0= 当被测信号不为当被测信号不为 0 0 时时, , C0, C0, 振荡器频率有相应变化振荡器频率有相应变化, , 此时频率为此时频率为 21021)(21LCCCffLcccf021021)(21 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, , 可可以测至以测至

9、0.01 m0.01 m级位移变化量。频率输出易于用数级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯字仪器测量和与计算机通讯, , 抗干扰能力强抗干扰能力强, , 可以可以发送、接收以实现遥测遥控。发送、接收以实现遥测遥控。二、电桥电路二、电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂为电桥的一个臂( (另一臂为固定电容另一臂为固定电容) )或或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有

10、较高的灵敏度和稳定性。的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。2012211210200021()1()iiiiUZUUZZZZUZZZjCCZjCCCUUC 电桥电路电桥电路三三 运算放大器式电路：运算放大器式电路：要求熟练掌握要求熟练掌握 将电容传感器接于放大器反馈回路，输将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。能克服变入电路接固定电容。构成反相放大器。能克服变极距型电容式传感器的非线性。极距型电容式传感器的非线性。011xxj cCuuuCj c xSC则则代入上式得代入上式得0CuuS 式中式中“- -”号表示输出电压与电源电压相反。号表示输出电压与电源电压相反。如

11、果传感器是一只平板电容 运算放大器电路解决了单个变极板运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。为保证间距离式电容传感器的非线性问题。为保证仪器精度仪器精度, , 还要求电源电压还要求电源电压 的幅值和固定电的幅值和固定电容容C C值稳定。值稳定。1.4.3 主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度变极距型电容传感器0SSSCC 由得01()1/gCCk 由于/1 将上式展成泰勒级数得23401.gCk圆柱型变面积电容传感器圆柱型变面积电容传感器212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr0lCl由得0212ln( / )gCCkllr r差动变面积

12、电容传感器差动变面积电容传感器结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍21212()2()ln(/ )ln(/ )gllllrrrrCkll214ln(/ )rr（二）非线性（二）非线性变极距型变极距型0011/CCC 因/1 2301.CC采用差动形式得：24021.CC结论：变面积和变介质型电容传结论：变面积和变介质型电容传感器比变极距型电容传感器的线感器比变极距型电容传感器的线性度好性度好求差动形平板电容器的非线性误差求差动形平板电容器的非线性误差在差动式平板电容器中, 当动极板位移d时, 电容器C1的间隙d1变为d0-d, 电容器C2的间隙d2变为d0+

13、d, 则 00211ddcc10011ccdd在在d/dd/d0 01 1时时, , 则按级数展开则按级数展开: : .)()(1 3020001ddddddcc.)()(1 3020002ddddddcc电容值总的变化量为C= C1-C2=C0 .)(2)(2250300dddddd电容值相对变化量为.)()(1 2402000ddddddcc 如果只考虑式中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差近似为%100)(%100)(2)(22003dddddd对于单组式变极距型平板电容传感器对于单组式变极距型平板电容传感器电容的相对变化量为电容的相对变化量为00011ddddCC当1/

14、0dd时，则上式可按级数展开，故得.1 3020000 ddddddddcc如果考虑式中的线性项与二次项如果考虑式中的线性项与二次项, ,由此可得出由此可得出传感器的相对非线性误差传感器的相对非线性误差为为2000()100%100%()dddddd 可见可见, , 电容传感器做成差动式之电容传感器做成差动式之后后, ,而且非线性误差大大降低了。而且非线性误差大大降低了。 主要特点及设计要点主要特点及设计要点一、特点一、特点优点：优点：1 1、温度稳定性好、温度稳定性好电容值与电极材料无关，自身发热极小。电容值与电极材料无关，自身发热极小。2 2、结构简单，适应性强、结构简单，适应性强能在较恶

15、劣的环境下可靠工作。能在较恶劣的环境下可靠工作。3 3、动态响应好、动态响应好极板质量小且静态引力极小适合动态测量。极板质量小且静态引力极小适合动态测量。4 4、可实现非接触测量、可实现非接触测量在测量物料料位、物体振动振幅等时，电容器极在测量物料料位、物体振动振幅等时，电容器极板与被测体表面构成电容器，实现非接触测量。板与被测体表面构成电容器，实现非接触测量。缺点：缺点：1 1、输出阻抗高，带负载能力差、输出阻抗高，带负载能力差电容器电容值小，在频率较低时，容抗较大，带电容器电容值小，在频率较低时，容抗较大，带负载能力较差。负载能力较差。2 2、寄生电容影响较大、寄生电容影响较大在电容器与测

16、量电路较远，需用电缆线连接时，在电容器与测量电路较远，需用电缆线连接时，导线与极板间的寄生电容较大。造成测量误差。导线与极板间的寄生电容较大。造成测量误差。设计要点1.采用差动结构，减小环境温度湿度的影响，提高灵敏度，减小非线性，减小寄生电容的影响。2.消除和减小边缘效应 减小极距 电极做得薄 等位环3.减小和消除寄生电容的影响 增加传感器原始电容值:采用减小极板或极筒间的间距，增大工作面积来增大原始电容量。使与其并联的寄生电容的影响可忽略。 接地和屏蔽接地和屏蔽: :将传感器动极板与屏蔽壳同地，将传感器动极板与屏蔽壳同地，动极板与屏蔽壳间的电容为常量。动极板与屏蔽壳间的电容为常量。集成化集成

17、化: :将传感器与测量电路做在一个壳体将传感器与测量电路做在一个壳体内。内。采用驱动电缆技术采用驱动电缆技术电容传感器与测量电路必须用电缆连接时采用。电容传感器与测量电路必须用电缆连接时采用。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双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，接入层屏蔽电缆，接入1 1：1 1放大器，输入接芯线，放大器，输入接芯线，输出接内屏蔽线，使内屏蔽与芯线等电位，消输出接内屏蔽线，使内屏蔽与芯线等电位，消除了显线对内屏蔽线的容性漏电，克服了寄生除了显线对内屏蔽线的容性漏电，克服了寄生电容的影响。电容的影响。 采用运算放大器法采用运算放大器法 整体屏蔽：将传感器、电

18、源、转换电整体屏蔽：将传感器、电源、转换电路、电缆用一个屏蔽壳屏蔽起来，桥路两固路、电缆用一个屏蔽壳屏蔽起来，桥路两固定阻抗间为接地点，减小外部干扰，消除电定阻抗间为接地点，减小外部干扰，消除电缆寄生电容的影响。缆寄生电容的影响。4.4.防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰5.5.尽量采用差动式电容传感器尽量采用差动式电容传感器例题：有一只变极距电容传感元件，两例题：有一只变极距电容传感元件，两极板重叠有效面积为极板重叠有效面积为 ，两极板，两极板间的距离为间的距离为1mm1mm，已知空气的相对介电，已知空气的相对介电常数是常数是1.00061.0006，试计算该传感器的位移，试计算该传感器的

19、位移灵敏度。灵敏度。428 10 m 电容传感器可以直接测量的非电量为，电容传感器可以直接测量的非电量为，直线位移、角位移及介质的几何尺寸直线位移、角位移及介质的几何尺寸( (或称物位或称物位) )，直线位移及角位移可以是，直线位移及角位移可以是静态的，也可以是动态的。静态的，也可以是动态的。 用来测量金属表面状况、距离尺寸、用来测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等量的传感器，往往来用单极式变振幅等量的传感器，往往来用单极式变间隙电容传感器，使用时常将被测物作间隙电容传感器，使用时常将被测物作为传感器的一个极板，而另一个电极板为传感器的一个极板，而另一个电极板在传感器内。在传感器内。1.4.4

20、1.4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器是一种单电极的电容式振动位移传感器，它的平面测端电极1是电容器的一极，通过电极座5由引线接入电路，另一极是被测物表面。圆筒式变面积的差动电容式位移传感器圆筒式变面积的差动电容式位移传感器 二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器1 1、结构、结构 质量块两个经过磨平抛光的平面与两个固定极板构成差动电容传感器。11212k aCCkaCC2、原理 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生大小正比于被测加速度的位移。此位移

21、使两电容的间隙发生变化，此电容增量正比于被测加速度。 三、电容式差压传感器三、电容式差压传感器一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器组成的差动电容器压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量发生变化。容量发生变化。1002001SCCCSCCCkP2111200CCkPk PCC 将差动电容器接于桥式电路PkUCCCCUZZZZUUiii222211221210 四、四、 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器1、结构、结构传感器上下两个极板与金属板上下表传感器上下两个极板与金

22、属板上下表面间构成电容传感器。面间构成电容传感器。 2、原理、原理 将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容, 振荡器的其它参数为固定值, C0为耦合和寄生电容, 振荡频率分别为21011)(21CCLfx21022)(21CCLfx11rxxSCd22rxxSCd调频式差动电容式测厚传感器原理图2211220141 4rxSLfdLC f 2222220241 4rxSLfdLC f f1,f2送计数器8253的计数口，单片机定时1秒取8253计数器中的计数值。即为f1,f2。由公式计算得dx1， dx2。计算板厚。由公式)(210 xxddd1.4.5 电容式集成传感器(以后内容课堂

23、不讲) 运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在一起，构成电容式集成传感器。核心部件是一个对被测量敏感的集成电容器。一、加速度电容传感器结构及工作原理一、加速度电容传感器结构及工作原理利用集成电路工艺将电容敏感元件与测量电路制作在一起，制成集成电容传感器。衬底第三层多晶硅第二层多晶硅第一层多晶硅顶帽加速度集成电容传感器结构示意图没有加速度作用时12CC有加速度作用时，悬臂梁与顶层及底层之间产生位移，使其中一个电容增大，一个电容减小，差动输出，输出电容变化量与加速度成正比。压力集成电容传感器压力集成电容传感器 当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生形变使电容器的两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。电容器的变化量与压差有关。二、转换电路二、转换电路开关转换电路开关转换电路S3URefS1C3C1C2S2U0 1、开关转换电路、开关转换电路正半周期，S1 接U ref， S2 接地，输出电压为：10Re3fCUUC 负半周期，S2 接U ref， S1 接地，输出电压为：20Re3fCUUC 前后半周的幅值差为：Re0123()fUUCCC2、二极管环形检波电路、二极管环形检波电路作用：将力敏电容的变化转换成直