传感器第三章电容式传感器

1、传感器第三章电容式传感器第1页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日本章主要内容及要求掌握电容式传感器的工作原理和结构理解电容式传感器的灵敏度和非线性了解电容式传感器的等效电路理解电容式传感器的测量电路熟悉电容式传感器典型应用第2页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.1 电容式传感器的工作原理和结构 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，其电容量为 （3-1） A平行板所覆盖面积，非电量。d两平行板间的距离，非电量。C电容量。交流与无线电电路常用。电容极板间介质的介质常数 ，非电量。同轴柱形电容器：第3页，共89页，202

2、2年，5月20日，21点34分，星期日 当被测参数变化使得A、 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信号输出。电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。 改变d的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变A的传感器只适用于厘米数量级的位移。第4页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-2 电容式传感元件的各种结构形式厚度、位移液位、液量温度、湿度角位移线位移角位移第5页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.1.1 变极距型电

3、容传感器图3-3 变极距型电容式传感器 第6页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 当传感器的r和A为常数，初始极距为d0时，由式（3-1）可知其初始电容量C0为: （3-2） 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，如图3-3或3-2(a e )则有: （3-3） 第7页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-4电容量与极板间距离的关系曲线 CDC1DC2ODd1Dd2CDC1DC2ODd1Dd2d 式（3-3）说明C与d不是线性关系。但d很小，当 d d时，可认为C- d是线性的。 这种传感器一般用来测量微小变化的量，如0.01um

4、至0.Xmm的线位移.线性度与灵敏度分析第8页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 在式（3-3）中，若d/d01时，则展成泰勒级数：（3-4） 此时C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，才有近似的线性关系。 对同样检测d,设计初值d0越大,d/d0越小。 对线性度的近一步分析:可行吗?第9页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日由(3-4)式,在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C 可以增大，从而使传感器灵敏度提高。如图3-4所示。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。办法:为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料

5、膜等）作介质, 如图 3-4 所示，此时电容C变为设计上改善灵敏度的方法?第10页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（3-5） 式中：g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 第11页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-4 放置云母片的电容器第12页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日表3-1 电介质材料的相对介电常数 第13页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 k

6、V/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 由于式(3-5)分母中的 项是恒定值,只要云母片厚度选择得当，就能获得较好的线性关系。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容C0在2030pF之间，极板间距离d0在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10，变极板间距离电容式传感器故在微米位移测量中应用最广。 第14页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 为提高变极距型传感器的灵敏度和克服某些外界因素影响，我们还可以采取什么措施呢？讨论：作成差动式，如图3-2中e。 这样不仅可改善非线性、提高灵敏度，还可以减少外界因素（如电源电压、环境温度等）影响。第15页

7、，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.1.2 变面积型电容式传感器 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。1、平板型线位移式传感器：如图3-5，当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为： (3-6) 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为： (3-7) 这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 第16页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-5 变面积型线位移电容传感器原理图 第17页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-6 电容式角位移传感器原理图 2、

8、电容式角位移传感器第18页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日(3-8) 式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； A0两极板间初始覆盖面积。 图3-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则 第19页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（3-9） 从式（3-9）可以看出，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。 当0时， 则 第20页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 C与a基本上成线性关系。采用圆柱形电容器的原因主要是考虑到动极板稍作径向

9、移动时、不影响电容器的输出特性。3、圆柱形电容式位移传感器 初始位置时（a=0），动、定极板相互覆盖，电容量为：当动极板发生位移a后，其容量为：（3-11）(3-10)第21页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 同样道理，为提高变面积型传感器的灵敏度和克服某些外界因素影响，常做成差动式，如图3-2中f g h。第22页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日式中： C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 (3-12) 可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。3.1.3 变介质型电容式传感器 1、圆柱型 如图5-7示。此时变换器电容值为： 第23

10、页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-7 电容式液位变换器结构原理图 第24页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日(3-13) 2、平板型变介质型电容传感器有较多的结构形式，图3-8是一种常用的结构形式。 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（并联）为： 第25页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-8 变介质型电容式传感器 第26页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 若电介质r1=1, 当L=0时，传感

11、器初始电容C0=0rL0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为: (3-14) 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 第27页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性(3-15) 当|d/d0|1时，按级数展开，可得 (3-16) 1、 由前面变极距电容传感器公式（3-3）已得到， 电容的相对变化量为： 第28页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间实际成非线性关系，当|d/d0|1时，可略去高次项，得到近似的线性关系： (3-

12、17) (3-18) 说明：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小（即灵敏度）与d0呈反比关系。 电容式传感器的灵敏度定义为，电容变化与所引起该变化的可动部件的机械位移变化之比。即变极距电容传感器的灵敏度为：第29页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日如果考虑式（3-16）中的线性项与二次项， 则 (3-19) 由此可得出传感器的相对非线性误差为 (3-20) 由式（3-16）与式（3-18）可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。 第30页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 在实际应用中，为了提高灵敏度，减

13、小非线性误差，大都采用差动式结构。 如图3-9所示, 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+d, 则 (3-21) (3-22) 第31页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图3-9 差动平板式电容传感器结构图 第32页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有 （3-43） 第59页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日同样， 在变面积电容传感器中， 则有 （3-44） 差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式

14、传感器,并具有理论上的线性特性 第60页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日优 点：采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高 第61页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.4.6、电桥电路电桥输出电压为：电桥平衡条件：第62页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.1 差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板

15、，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极,而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。 3.5 电容式传感器的应用第63页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日图 3-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 第64页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.2频率变换型电容测厚传感器 将被测电容c1，c2作为各变换振荡器的回路电容，振荡器的其他参数为固定值，其等效电路如下：电路的振荡频率为：因为 与 有关

16、，而 与板材的厚度有关 。各频率值通过取样计数器获得数字量，再由微机进行函数处理，就可得到误差极小的板材厚度。 第65页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.3 电容式压力传感器 该传感器的灵敏度和分辨率都很高，响应速度快(约100ms),可以测量00.75Pa的微小压差真空或微小绝对压力(需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 )。第66页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第67页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 图3-22(b)为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀

17、层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时,所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 第68页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.6、高分子电容式湿度变送器 该仪器是利用高分子电容式湿敏传感器测量湿度的。高分子薄膜式湿敏元件应用的是平板电容器原理在绝缘基片上依次形成上电极、感湿腹、下电级。感湿膜是聚酰亚胺高分子聚合物，它吸收环境中的水分，使其介电常数发生变化，从而引起电容量变化，达到测湿目的。其测量范围为0%RH100%RH，输出电压 V 。其等效电路如图。第

18、69页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.6、石英挠性伺服加速度计 石英挠性伺服加速度计是由固有频率很低的电容式加速度计和伺服回路两大部分组城并形成一个闭环的自动控制系统具体结构与原理如图324所示。第70页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.5.7 电容式加速度传感器 图3-18 差动式电容加速度传感器结构图 第71页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向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

19、生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器大多采用空气或其它气体作阻尼物质,其主要特点是频率响应快和量程范围大,精度较高，量程大，可以测很高的加速度 .第72页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用 第73页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日容栅式电容传感器应用第74页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日主要应用于量具、量仪和机床数显装置。角位移容栅传感器已在电子数

20、显千分尺及机床分度盘中应用。线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用 第75页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日应用产品图片第76页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日电容传感器湿敏电容第77页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日压力及液位传感器（上海正开）第78页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第79页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日3.6 传感器的特点和设计要点 1. 特 点2. 设计要点第80页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，

21、星期日1、特点 优点:1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关；本身发热极小 ）2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应第81页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 。2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量小，而引线电缆电容、电路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 。第82页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日2. 设计要点 (1). 减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 (2). 消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 (4).尽可能采用差动式电容传感器 低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应第83页，共89页，2022年，5月20日，21点34分，星期日例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8m