电容式传感器79889课件

1、第4章 电容式传感器4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特性等效电路4.4电容传感器的设计要点4.5电容式传感器的转换电路4.6电容式传感器的应用举例本章要点电容式传感器？ 电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的-种传感器。 s 4.1 工作原理、分类及应用一、工作原理：介质介电常数 s ：极板面积 ：极板间距离 s 上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？ 二、分类 (按工作原理分类)改变s、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。 s

2、图411、变极距型(变间距型)电容传感器两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量变化.1、变极距型电容传感器变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0.01微米）。改善非线性，提高灵敏度，减少环境影响，采用差动式结构。2、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形 。2、变面积型电容传感器电容量的变化与面积的变化成线性关系。与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温

3、度、湿度、容量(图d)等3、变介电常数型电容传感器按结构分类平板式圆柱、圆筒式差动式单体式电容式液位计 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套电容式接近开关外形湿敏电容传感器外形原理：变介质型特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式厚度传感器其他应用：1、变间隙式：s定极板动极板：极板间介质介电常数 0：真空介电常数 r：极板间介质相对介电常数 ：极板间距离 s ：极板有效覆盖面积 4.2 电容式传感器灵敏度及非线性灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。例如：电容式压力传感器，0.10.2mm

4、，C=20100pF，可测小至0.01um的线位移。适合于微位移的测量。初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。灵敏度分析：非线性误差分析：只考虑线性项：非线性误差：讨论：为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围 0,，此时，传感器的灵敏度近似为常数。电容量C与极距呈非线性关系，减小初始极距将增大非线性误差。 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。差动电容结构：差动结构分析灵敏度提高一倍非线性减小灵敏度：非线性误差：差动结构分析2、变面积式bax说明：灵敏度为一常数，输出特性是线性的

5、。b、k适合于测量较大的直线位移和角位移。思考：用于角位移测量的电容式传感器的结构如下图。A、B为同一平面、形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平面内绕O点摆动。初始时，C处于A、B的中心。设极板间距为d。试推导：（1）初始时电容值。（2）当C向右移动角位移 后电容值。 (3)灵敏度。3、变介电常数式电容式液位计1：液体介质的介电常数0: 空气的介电常数； H: 电极板的总长度；d 、 D：电极板的内、外径；另一种变介电常数的电容式传感器：d不变， 改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度d0 rs气

6、隙一、特点1、优点输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5m。机械损失小。自身发热量很小，又无摩擦，具有很高的精度。 动态特性好。活动部件质量小，因此固有频率高。适于动态信号的测量。结构简单，适应性好。在振动、强辐射以及很大的温度变化的恶劣环境下工作。4.3 电容式传感器的特点及等效电路电容式传感器的特点2、缺点输出阻抗高，大到几十兆欧几百兆欧，带负载能力差。输出特性非线性较严重。寄生电容的影响较大，从而导致工作不

7、稳定，降低灵敏度。寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。R：串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。(高频)Rp：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。（低频）L：电容器及引线的动态电感。（高频）Cp：A、B两端的寄生电容。二、等效电路分析RpRLC二、等效电路分析Rp与并联的 相比很大，故忽略并联大电阻Rp 。R与串连的 相比很小，故忽略串连小电阻R。高频情况下，L对A、B端等效电容的影响。所以改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。电容传感器测量必须在同样条件下进行。传感器有效电容：Ce一、交流电桥平衡条件为4.4 电容式传感器的转换电路交流电桥的平衡条件： 式中，zi各桥臂的复数阻抗(

8、i=1,2,3,4）；Zi复数阻抗的模（i=1,2,3,4）；i复数阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。相对两臂复阻抗的模之积相等；且相对两臂复阻抗的幅角之和相等。电容传感器常用交流电桥形式当桥路电源电压与传感元件阻抗相对变化量 一定时相邻桥臂初始阻抗的模相等 ，并使两桥臂阻抗幅角差 尽量大，可以提高电桥电压灵敏度 。电容传感器常用交流电桥形式分析提高电桥电压灵敏度？图4-13（h）二、变压器电桥等效电路图：E1E2C1C2I1I2IfZf(4-14)说明：Z时，U=f(），成线性关系。USC与电源电压有关，所以必须交流稳压。采用稳幅、稳频等措施。变压器电桥输出电路例：自动平衡电桥工作过程无油

9、时，起始电容Cx=Cx0，若使Cx0=C0，此时输出为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态, E1Cx0= E2C0油量变化时，Cx=Cx0+Cx Cx =k1h电桥不平衡输出U 放大两相电极转动减速指针指示电位器电刷转动 改变E电桥恢复平衡输出电压为零、电机停止转动、指针停在某角度上。所以，指针转角与h成线性关系电容式油量表 机械式油量表： 在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。 该油量表可用于飞机油箱三、双T型冲放电网络（二极管式线路）下页上页 当U为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止。于是电容C1很快被充电至电压U，电源U经

10、R1以电流I1向负载RL供电; 与此同时，电容C2经R2和RL放电电流为I2，流过RL的电流为I1、I2的和IL。同理负半周。当C1=C2,R1=R2，则电流IL =IL, 且方向相反, 在一个周期内流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为 0, 则C1 C2, 那么ILIL, 此时RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关, 而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。 当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。双T型冲放电网络仿真图4-16UFMN四、脉冲调宽型电路U

11、AU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUf0tT1UNUf0tT2UMUf0tT1UNUf0tT2时序图设R1=R=R2，得：(4-17)对于变极距型差分电容传感器对于变面积型差分电容传感器(4-17)无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性方向和大小输出的直流信号。由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要求不高。要求精度较高的直流电源。 脉冲调宽型电路说明：五、调频电路 调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx

12、发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。 图4-10调频电路六、运放式线路 K CxC0UUSCIXI0按理想运算放大器的条件：从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。实际上，Zi，K ，所以，存在一定非线性， Zi 、K很大，非线性很小。USC与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容C0特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。0b0g0a00: 极板间隙；g0 : 固定极板厚；b0 : 绝缘件厚4.5 电容式传感器的设计要点温度变化对结构稳定性的影响温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关要减小温度变化的影响，可以：减少热膨胀尺寸链的组成环节。选用热膨胀系数小、几何

13、尺寸稳定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。其中尤以绝缘套材料为最重要。采用差动对称结构，对温度误差进行补偿。说明：温度变化对介质介电常数的影响如，同心圆柱式传感器，液面高度H：温度变化使得改变，引起电容量的变化为：燃油：保证绝缘材料的绝缘性能电容传感器电容量小、阻抗高，绝缘问题突出。措施：选择优质绝缘材料，玻璃、石英、陶瓷、尼龙等。装配前严格清洗。传感器壳体密封，防止水汽进入。采用较高频率的电源供电，以降低内阻抗，相应降低对绝缘电阻的要求。R漏电阻C边缘效应使电容传感器的灵敏度降低、产生非线性边缘效应与极板的厚度/极距有关。比值越大，影响越大。消除和减小边缘效应措施：采用带保护环的结构；

14、减小极板厚度。消除和减小寄生电容的影响寄生电容：电容器极板与周围导体之间产生电容联系。寄生电容不稳定 传感器输出不稳定 产生干扰（屏蔽）电缆寄生电容较大（可达100pf/m） ，与传感器电容并联：电缆位置、形状改变，使传感器极不稳定。增加原始电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。采用组合式与集成技术。将传感器、前置级组合在一个壳体内，省去其间的电缆。采用“驱动电缆技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。采用运算放大器法整体屏蔽法。消除和减小寄生电容的方法4.6 电容式传感器的应用举例差分式电容压力传感器感压敏感元件电容式差压变送器 高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位

15、置感压膜片采用张紧式结构。感压腔充灌温度系数小、性能稳定的硅油作为介质。可以承受超高压、小压差（过载保护能力强）P=p-p=100Mpa-99Mpa=2Mpa-1Mpa采用球面电极，改善性能工艺要求高：张紧膜片与壳体的焊接困难说明：压力通过两侧或一侧隔离膜片、灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上,测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器.在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置,两个电容器的电容量相等.当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,这种位移转变为电容极板上形成的差动电容.由电子线路把差动电容转换成4-20mADC的二线制电流信号,电容式差压变

16、送器内部结构 1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔各种电容式差压变送器外形 各种电容式压力变送器外形（续） 利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比： p = g h电容差压变送器用于测量液体的液位 投入式液位计电容式液位测量装置的结构和工作原理图示为几种用于连续测量的电容探头结构。用一电容探头感受物面位置的变化。如果容器壁由导电材料制成，则只需装入电极1或3或4，容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。如果容器壁由非金属材料制成，则必须使用具有内

17、外电极的管式电极2，或对电极l、3、4另附一个反电极5。测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。空气的介电常数0l，被测物的介电常数为r。物位变化时，电容器的电容变化值C与被测材料的物位高度x成线性关系。电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮图所示是一些进行物位极限位

18、置监控的电容测头结构。这时不再希望探头的电容值在整个高度范围内线性变化，而是希望物位在达到极限位置时电容能发生突变。l和2是绝缘的电极，3是侧面安装的电极，它以70角倾斜安装可防止被测液的粘附，4是平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器内物位的测量，如搅拌器。 电容式液位限位传感器在物位测量控制中的使用演示电容式液位限位传感器在液位测量控制中的使用电容式料位传感器电容式物位变送器探头与容器壁形成一个电容器。一般采用单电极式。电容极板（探头与容器壁）的表面积、两极板之间的距离及被测物料的介电常数决定电容量的大小。当探头固定安装于容器壁上后，被测物料之介电常数不变时，此刻的电容量仅取决于

19、被测物料的高度，并与物位成正比。通过变送器将测出的电容量转换为连续的420mA模拟信号输出。电容量与料位的关系：电容式接近开关 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的电容量发生变化，使得和测量头相连的RC振荡器开始振荡 ，由此便可控制开关的接通和关断。被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；广泛应用于机械，矿山，造纸，烟草，塑料，化工，治金，轻工，汽车，电力，保安，铁路，航天等各个行业 。 全密封防水式远距离式（大量程）非接触电容式位移传感器

20、非接触电容位移传感器可测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置。可实现高的线性测量。具有特别高的分辨率，以及稳定性。电容位移传感器使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感器间隙中，都将影响测量结果。位移测量 弯曲、波动变形移动、位移位置、膨胀振动、偏心位置、膨胀冲击、变形轴向窜动阀门位移活塞移动 厚度、轮廓偏心、直径同心度压缩机叶片间隙、转速湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加，所以电容量增大。 湿敏电容外形吸水高分子薄膜电容多孔性氧化铝湿敏电容传

21、感器外形 湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型图4-21 电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的脉冲。硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极） 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振