传感器原理及应用(第3版) 王华翔 第3章 电容式传感器

1、第三章 电容式传感器电容传感器的用途：测量位移、物（液）位、压力等电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置结构简单；只要极小的输入力就能使动极板移动，在移动过程中没有摩擦和几乎没有反作用力灵敏度高分辨力也高，能敏感0.01微米甚至更小的位移动态响应好能在恶劣环境条件下（高低温、各种形式的辐射）工作3-1 电容式传感器的工作原理用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器，其电容量为：+-0rSSCdd 极板间介质的介电常数0 真空的介电常数，0 =1/3.6 (pF/cm)r 极板间介质的相对介电常数， r = / 0 ，对于空气介质，r 1)(6 . 3pFdSCr),(SdfC电容式传感

2、器变面积型(S)变介电常数型()变间距型(d)一、变面积型（S）(a)角位移式 (b)直线位移式当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积S就改变，因而改变了两极板间的电容量当=0时0pF3.6rSCd当0时011pF3.6rSCCd 电容C与角位移呈线性关系badx直线位移式电容传感器X=0时，电容为：)(6 . 30pFdabCr某一极板移动距离X时，电容为01pF3.6rxb axxCCda其灵敏度为：0 xdCCKdxa 增大初始电容 可以提高传感器的灵敏度0C二、变介质介电常数()型常用作检测容器中液面高度、片状材料的厚度。液体和空气的介电常数不同。液面高度变化时，导致传感器的电容相应改变

3、气体介质间的电容量 为1C1222122ln(/ )ln(/ )hhhCR rR r液体介质间的电容量 为2C1 122ln(/ )hCR r 总电容量为121 11222ln(/ )ln(/ )hhhCCCR rR r 211222()ln(/ )ln(/ )hhR rR r 1CAKh22ln(/ )hAR r 1122()ln(/ )hKR r传感器电容量C与液位高度h1成线性关系两部分电容为并联变介质介电常数()型测厚仪电容量等于两个电容C0和C1相串联0101010101013.63.63.63.6SSC CddCSSCCdd00116 .3ddS三、变极板间距(d)型初始电容量为0

4、C003.6SCpFd当间距 减小d 时，则电容量为0d003.6 ()SCCdd00013.6 (1)(1)SCdddd0001ddCdCd展开为级数形式23000001CddddCdddd当d Uf A1翻转，C1放电 B高电平，A低电平 C2充电 UnUf A2翻转，C2放电A1,A2为比较器C1=C2 C1C21112APTUUTT2112BPTUUTT12SC112APBPTTUUUUTT11111lnFUTRCUU12221lnFUTRCU U12112SCCCUUCC(四)运算法测量电路运放特性：虚短和虚断xII00ZEZUxsc00SCXXUCZEZC dSCx0SCCUEdS

5、 输出电压USC与动极片的位移d成线性关系3-3 电容式传感器的误差分析对电容传感器输出有很大影响的因素有温度、边缘效应和寄生分布电容。一、温度对结构尺寸的影响环境温度变化时，传感器各零件的几何形状、尺寸发生变化，从而引起电容量变化对变间隙电容传感器来说对变间隙电容传感器来说更显重要更显重要0PtCCCC 零初始温度下：012dLhh温度变化t后1212111tLhhdLththt 温度变化而引起的电容量相对误差为：000ttttttCCddCd121212012LhhtLhhLhhtdLhht 根据传感器零件的线膨胀系数，取合适的h1和h2，使12120hhLhhL即可达到温度补偿的目的 二

6、、增设等位环来消除边缘效应 等位环3 3与电极2 2在同一平面上并将电极2 2包围，且与电极2 2电绝缘但等电位，这就能使电极2 2的边缘电力线平直，电极1 1和2 2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3 3外周不影响传感器两极板间电场。任何两个导体之间均可构成电容联系，故电容式传感器除了极板间电容外，极板还可能与周围物体之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。对传感器及其引出线采取屏蔽措施：将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地；传感器引出线必须采用屏蔽线，屏蔽线外套同样应良好接地。三、寄生和分布电容影响 屏蔽线本身电容量大，电容式传感器本身电容量小，当屏蔽线较长且与传感器电容相

7、并联时，传感器电容的相对变化量大大降低，即传感器有效灵敏度显著降低； 更为严重的是，电缆本身的电容量随放置位置和其形状的改变而有很大变化，造成传感器特性不稳定。仍然存在的问题：仍然存在的问题：解决电缆电容影响的有效方法：驱动电缆技术。原理：使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极板电位。要求两电位幅值和相位均相同。这样引线与内屏蔽层的电缆电容不起作用。01XCUUU1UAUUA 0201aaUAUA A U 02XCUU11aAA 为实现电缆芯线与内屏蔽线等电位1aUAA A U3-4 电容式传感器的应用位移，厚度，角度，振动等机械量力，压力，差压，流量，成分，液位等参数一、电容式差压

8、变送器压力变化膜片位移极板距离改变电容量改变；激励电压电容器交变电流整流，控制，放大输出4-20mA直流电流球面电容等效图0ALA0C CCCC0AHA0C CCCC求C0,CA即可得到CL，CH。采用单元积分法求出C0,CA)(LHAPPfC将CL，CH放入二极管环形检波电路得最终结果为：S0BCHLFFFRUUIKIPPRRR二、电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅电容探头与待测表面间形成的电容0XSCh将其接入运放测量电路中：0SC0XCUEC 0SC010C hUEK hS 三、电容式液位计电容式液位计可以连续测量的水位或导电液体的液位。212ln(/)XXhCdd二极管测量电路从从E1到到E2时：时：CX充电：充电：AD1CCXCd充电：充电：ACeBD3CdA到到B流动电荷量：流动电荷量：121dqCEE从从E2到到E1时：时：CX放电：放电：CXD2CeL1OCd放电：放电：CdD4L1OB到到A流