第3章 电容式传感器

第三章电容式传感器电容元件非电量电容量变化

1920~1925电容传感器用于测量

70~80年代，应用广泛集成电容传感器1电容式传感器优点：测量范围大灵敏度高动态响应时间短机械损失小结构简单，适应性强电容式传感器的不足之处：寄生电容影响较大当电容传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性2第一节电容传感器的工作原理和结构一、基本工作原理C——电容量，单位：F法拉——真空介电常数，8.85×10-12F/m——极板间介质的相对介电常数A——极板的有效面积（m2）d——两平行极板间的距离（m）平板电容器ε——电容极板间介质的介电常数3二、变极距型电容传感器1、基本特性极板上移：当Δd<<d0时，则式（3-3）可化简为（3-3）（3-4）42、有介电层的变极距型电容传感器（3-5）若极距变化为Δd，则——云母的相对介电系数，=7——空气的介电系数，=1——云母片的厚度——空气隙厚度53、差动式变极距型电容传感器动极板上移：初始位置时：6三、变面积型电容传感器中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式1、板状线位移变面积型线性7线性线性3、筒状线位移变面积型2、角位移变面积型84、中间极移动式变面积型9四、变介质型电容传感器测厚电容传感器d2d2l10电容式液位传感器线性11五、电容式位移传感器的结构形式面积变化型极距变化型介质变化型线位移角位移平板型圆筒型12六、电容式传感器的输出特性差动电容传感器发生位移Δd时，传感器电容为13若位移量Δd很小且，|Δd/d0|<1，上面两式按级数展开得电容量总得变化为电容量得相对变化为略去高此项，则差动电容式传感器的相对非线性误差r近似为14对于单一电容传感器按级数展开得则近似得线性关系为非线性误差为15平板型改变面积的线位移传感器的灵敏度平板型改变极距的线位移传感器的灵敏度平板型差动电容传感器的灵敏度16第二节电容式传感器的等效电路C——传感器电容L——电感RP——并联损耗电阻RS——串联损耗电阻CP——寄生电容高温、高湿、高激励17第三节电容式传感器的测量电路一、调频电路振荡回路固有电容引线分布电容传感器电容1、直放式：18被测信号调频信号鉴频信号调频电路的优点：

抗干扰能力强特性稳定高电平直流信号易于接口192、外差式20补充：调幅电路21二、谐振电路谐振回路通过电感耦合，从稳定得高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容C3发生变化，谐振回路阻抗相应变化，此变化表现为整流器电流的变化。该电流经放大后可指示输入量的大小。优点：灵敏度高缺点：（1）工作点不容易选好，变化范围较窄（2）传感器与谐振回路要靠近（3）振荡器得频率稳定度要优于10-6的数量级22三、运算放大器式电路变间隙型电容传感器：线性关系23实现输出初始值为零得运算放大电路CX0——传感器初始电容值当CX0=C0时，因此CX0与C0的结构参数与材料应完全相同，以补偿环境温度对测量的影响，及C0在电容传感器CX检测过程中还起到了参比测量的作用。将代入上式得Ui24四、二极管双T形交流电桥若R1=R2=R，则输出电压平均值若已知RL，且令则25五、脉冲宽度调制电路跳变触发器翻转跳变触发器翻转双稳触发器滤波器2627变极距型差动电容传感器：变面积型差动电容传感器：28差动脉冲调宽电路特点：对元件无线性要求经过低通滤波器就有较大的直流输出不需要解调器对输出矩形波纯度要求不高29六、电桥电路平衡条件电桥输出电压R0:电容损耗电阻；ΔC：差动电容变化量C0：当C1=C2时的电容量Z：为C0，R0的等效阻抗30电容式传感器的误差分析一、温度对结构尺寸的影响C0:传感器的初始电容量ΔCP：在被测信号作用下电容量得增量ΔCt：由于环境温度变化产生的附加电容增量，ΔCt=f(t)31以电容测压传感器为例d0=L-h1-h2以上各量分别为初始温度时的总间隙、绝缘材料的厚度和固定极片的厚度当温度变化Δt后，间隙为：由于温度变化而引起的电容相对误差为由以上三式可得32为消除温度误差，必须使δt=0，则可得设计传感器时L尺寸的灵活性很大，故可用代入上式得整理得：33极板间隙保护环二、边缘效应保护环减小极板厚度灵敏度降低、非线性增加34三、寄生与分布电容的影响电容式传感器存在的问题：（1）屏蔽线本身电容量较大，若屏蔽线较长，往往大于传感器得电容量，而且由于分布电容与传感器电容并联，使传感器电容相对变化量降低；（2）电缆本身得电容量由于放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定。解决办法：采用驱动电缆技术，其基本原理是使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，要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响35CX两端电压I适用于CX较大的传感器放大器-Aa输出电压为即适用于CX较小的传感器驱动电缆线路原理图I驱动电缆线路原理图II36电容式传感器的应用1.电容传声器37电容式传声器的电路原理传声器输出电压增量和被测声压成正比3839一般使用的麦克风基本上都是动圈式的40电容式接近开关测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。工作流程方框图4142振动测量旋转轴的偏心量的测量4344电容式指纹传感器4546例3.1变极距型平板电容传感器，当d0=1mm时，若要求测量的非线性误差为0.1%，求允许间距测量最大变化量是多少？例3.2如图所示，圆筒形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用来测介质液位，绝缘材料相对介电常数为ε1

，被测液体相对介电常数为ε2，液面上方气体相对介电常数为ε3，电极各部位尺寸如图所示，并忽略底面电容，求，当被测液体为导体及非导体时的两种情况下，分别推导出传感器特性方程CH=f(H)同心圆筒电容公式47例3.3现有一只电容式位移传感器，其结构如图（a）所示，已知：L=25mm,R=6mm,r=4.5mm。其中圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX，采用理想运放检测电路如图