传感器应用技术 课件 项目三 基于电容式传感器的湿度计的设计与制作

项目三 基于电容式传感器的湿度计的设计与制作1.电容式传感器特点电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。2.电容器在收音机中的应用并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容量越大，所接收到的电台的频率就越低。电容器在收音机中，用于改变谐振频率，从而调整所要接收的电台。电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的、电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。3.工作原理由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为式中S——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；d——两极板间的距离，也称为极距（m）；ε——两极板间介质的介电常数（F/m）；ε——两极板间介质的相对介电常数；rε0——真空介电常数,ε0=8.85

10-12(F/m)3.工作原理C

S

0

r

Sd d+Srd_3.工作原理C

S

0

r

Sd d可见：在S、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：变极距式电容传感器；变面积式电容传感器；变介电常数式电容传感器。3.工作原理4.

电容器的边缘效应理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间区域是直线，越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在极板面积较小时，将引起测量误差。+Srd_5.电容式传感器的等效电路对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如下图所示。电容传感器的等效电路念.

丘必.

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•泛念( 伴不士学沈ZIBOVOCATIONAL

INSTITUTE项目三 基于电容式传感器的湿度计的设计与制作设初始电容为当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：0d0 d0C

0

r

S

0S000

d

C

C

C

0

r

S

0

r

S

0

r

S

d

Cd0

d d0

d0d

d0

d

d0C0 d0电容的相对变化为：

C

d 1 1

d

d1.变极距式电容传感器可见，电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：电容传感器的静态灵敏度为：当

d

/

d0

1

时，将上式按泰勒级数展开，得：

C

d

dd0

d

2

d

3

......

d0

d0

1

C0 d0

C

dC0 d0K

C

/

C0

1

d d0灵敏度随极板间距的减小而增大1.变极距式电容传感器如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差：如图，极距变化相同值±△d所对应的电容变化量不同000L(

d

/

d

)2

100%

d

/

d

100%

d/

dΔC1>ΔC2由以上分析可知：变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。非线性随极板间距的减小而增大1.变极距式电容传感器-非线性误差C为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。1.变极距式电容传感器1.变极距式电容传感器

d/d0

11.变极距式电容传感器1.变极距式电容传感器d0K

'

C

C0

2d0d00L

0

100%

100%

d

22(

d

/

d

)2(

d

/

d

)3

可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效的改善由于环境影响所造成的误差。1.变极距式电容传感器2.变面积式电容传感器2.变面积式电容传感器xdb

a

x

db

xC

C

0

0x 0d a

C

C

C

b

x

C

xd

C

b

x灵敏度：k灵敏度为常数用于线位移测量的电容式传感器当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：2.变面积式电容传感器变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。其电容计算式为：C

2

xln(D

/

d

)当重叠长度x变化时，电容量变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。2.变面积式电容传感器0ln(D/

d

) ln(D

/

d

)ln(D

/

d

)ln(D

/

d

)2

L 2

x2

x

C

C

C

2

(L

x)

2

K

C

x ln(D

/

d

)2.变面积式电容传感器0Cd

S000d

(S

S0

)C

C

(1

)00

C

C

C

C

K

C

C0

用于角位移测量的电容式传感器2.变面积式电容传感器3.变介质式电容传感器电容式液位传感器原理图电容式液位传感器3.变介质式电容传感器电容式液位传感器结构原理图与等效电路图示同轴圆柱形电容器的初始电容为:测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的电容，则：0ln(r2 r1

)2

0hC

1ln(r2 r1

)C

2

hx22 1

0 x ln(r r

)C

2

(h

h)3.变介质式电容传感器3.变介质式电容传感器0 00可见，电容C理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位高度。xln(r2 r1

)

h由于C1和C2为并联，所以总电容为:C

2

hx

2

0

(h

hx

)

2

0hxln(r2 r1

) ln(r2 r1

) ln(r2 r1

)

2

(

0

)hx

C

C (

0)

h念.

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INSTITUTE项目三 基于电容式传感器的湿度计的设计与制作实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：

边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。

边缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差也增加。1.消除和减小边缘效应d d

r

2 16

r

h

C

0

r

r

ln

1

f

(

)

d

1.消除和减小边缘效应+-1.消除和减小边缘效应

在结构上增设等位环消除边缘效应，如图所示。等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和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外周不影响传感器两极板间电场。+-

1.消除和减小边缘效应（a）消除边沿效应原理图

（b）带保护环的电容传感器结构

（1）增加传感器原始电容值

采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2mm~0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在

10-3~103

pF范围内，相对值变化在

10-6~1范围内。2.消除和减小泄露电容的影响

（2）注意传感器的接地和屏蔽

图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。

引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。2.消除和减小泄露电容的影响绝缘体固定极筒可动极筒屏蔽壳连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图（3）采用组合式与集成技术，缩短传感器与测量电路之间的距离

将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。可采用三种方法，第一种方法是将测量电路的前置放大级或测量电路全部装在靠近传感器处。以缩短传感器到测量电路之间的电缆长度；第二种方法是采用超小型大规模集成电路，把全部测量电路组合在传感器壳体内；第三种方法是利用集成工艺，将传感器与测量电路集成在同一块芯片上,构成集成式电容传感器。2.消除和减小泄露电容的影响（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。2.消除和减小泄露电容的影响＋1：1－测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图P1

P2

3

4

3

4

P1电容C

和C

分别与Z

和Z

相并联。如果Z

和Z

比C

和CP2的容抗小得多，则寄生电容CP1和CP2对电桥平衡状态的影响就很小。2.消除和减小泄露电容的影响

（5）整体屏蔽法

将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。如图所示，是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂

Z3和Z4中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生交流电容电桥的屏蔽系统防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。3.防止和减小外界干扰防止和减小干扰的措施归纳为：u 屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。u 增加原始电容量，降低容抗。u 减小导线间的分布电容的静电感应，因此导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。u 减小接地点，尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。u 采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。3.防止和减小外界干扰念.

丘必.

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INSTITUTE项目三 基于电容式传感器的湿度计的设计与制作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。1.调频测量电路，即:当电容发生变化时，频率变为：调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量，易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。1.调频测量电路01f

2

L(C1

Ci

C0

)011 i 0f

f

f2

L(C

C

C

C)被测信号为零时，

C

0

，振荡器有一个固有振荡频率2.交流电桥电路的形式3.变压器电桥00x1x

2x1x

2x1x

2Cx12Cx1E

C

C

1

2

C

C

2C2

C

C 2

C2

Cx1 x

2

E

E

E

E

CU

002

d

E

dU

4.运算放大器电路5.二极管双T形交流电桥5.二极管双T形交流电桥6.脉冲宽度调制电路6.脉冲宽度调制电路C1＝C2时C1>C2时6.脉冲宽度调制电路0U

T1U1

T2U1

(T1

T2)U1T1

T2 T1

T2 T1

T21 21r 1 rT

R1C1

lnU1

;T

R2C2

lnU1U

U

U

U011 2U

C1

C2

UC

C6.脉冲宽度调制电路011 2U

d1

d2

Ud

d010Ud

d

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