电容式传感器原理和应用.ppt

1、第4章静电容量式传感器，4.1工作原理和构造，1，4.2灵敏度和非线性，4.3特征和应用中存在的问题，3，4.4静电容量式传感器的测量电路，4，2，4.5静电容量式传感器的应用，5，概要，传感器容量式位移，振动，角度，加速度等残奥仪表的测量。 电容式传感器结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量，有应用前景。 4.1由静电电容式传感器的工作原理和结构、从绝缘介质分离的2个平行金属板构成的平板电容器，不考虑边缘效应，其容量在式中是容量极板间介质的介电常数，其中，0是真空介电常数，r是极板间介质的相对介电常数，a两平行板复盖的面积d2个平行板之间只需保持其中两个残奥仪表不变，改变其中一个残奥仪表，

2、即可将该残奥仪表的变化转换为电容量的变化，通过测量电路转换为电量的输出。 4.1静电电容式传感器的工作原理和构造，静电电容式传感器可分为可变极距型、可变面积型、可变介质型3种。 在实际使用时，由于静电容量式传感器比其他改变残奥仪表的静电容量式传感器灵敏度高，因此大多进行改变平行板间距d的测量。 改变平行板间距d的传感器能够测量微米级的位移，改变面积a的传感器适用于只测量厘米级的位移。 4.1静电电容式传感器的工作原理和构造，4.1.1可变极距型静电电容式传感器下图是可变极距型静电电容式传感器的原理图。 当传感器的r和a为常数、初始极间距为d0时，其初始电容为：图4-1变极间距型静电电容传感器原

3、理图、4.1静电电容式传感器的动作原理和结构如下：当电容器极板间距离从初始值d0缩小d、电容量c增大时，根据式(4-3)可知传感器的输出特性c的式(4-4) 上式由于此时c和d具有大致直线的关系，所以变极距离型静电电容式传感器只有在d/d0小时才能够简化为得到大致直线的输出。 从式(4-4)可知，4.1静电电容式传感器的工作原理和结构在d0小的情况下，能够增大基于同样的d变化的c，能够提高传感器灵敏度。 但是，如果d0过小，则容易引起电容器的破坏和短路。 图4-2的容量与极板间距离的关系是，为了防止破坏和短路，极板间可以使用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作为介质。 云母片的相对介电常数是空

4、气的7倍，其击穿电压在1000 kV/mm以上，空气的相对介电常数只有3kV/mm。 因此，有云母片，可以大幅度缩小极板间的开始距离。 同时改善了传感器输出特性的线性度。 一般变极间距型电容式传感器的初始电容应在20 30 pF之间，极板间距在25200m范围内，最大位移应在间距的1/10以下，因此最广泛应用于微位移测量。 4.1静电电容式传感器的工作原理和构造，4.1.2变面积型静电电容式传感器上图是变面积型静电电容式传感器的原理构造示意图。 测定可动极板移动引起的两极板的有效复盖面积s的变化，使容量变化。图4-3变面积型静电电容传感器的原理图、4.1静电电容式传感器的工作原理和构造、4.1

5、静电电容式传感器的工作原理和构造，当可动极板相对于定极板延长度a方向x偏移时，式中为初始电容。 静电电容的相对变化量明显，由于该形式的传感器的静电电容c与水平位移x呈线性关系，因此其范围不限于线性范围，适于测量大的线性位移和角位移。 灵敏度是，4.1静电容量式传感器的工作原理和构造，下图是静电容量式角位移传感器的原理图。 如果可动极板存在角位移，则与定极板间有效盖面积发生变化，两极板间的容量发生变化。=0时，图4-4静电容量式角位移传感器的原理图，4.1静电容量式传感器的动作原理和结构，式中，r介质相对介电常数d0两极板间的距离A0两极板间的初始靶面积。 在0时，如从上式可知，传感器的电容c与

6、角位移处于直线关系。 4.1静电电容式传感器的工作原理和构造，4.1.3可变介质型静电电容式传感器下图是可变极板间介质的静电电容式传感器用于测定液位的高低的构造原理图。 图4-5是电容式液位传感器的结构原理图，4.1静电电容式传感器的动作原理和结构，如果将被测定介质的介电常数设为1，将液面高度设为h，将逆变器总高度设为h，将内筒外径设为d，将外筒内径设为d，则此时的逆变器电容值是由式中：空气介电常数C0逆变器的基本尺寸决定的初期4.1静电电容式传感器的工作原理和结构，可变介质型静电电容式传感器有很多结构型式，可用于测量纸、绝缘膜等的厚度，以及测量粮食、纺织品、木材、煤炭等非导电性固体介质的湿度

7、。 下图显示了典型的结构样式。 图中，两平行电极固定，极间距离为d0，相对介电常数为r2的介质以不同的深度插入电容器，使两介质的极板的靶面积变化。图4-6变电介质型静电电容式传感器、4.1静电电容式传感器的工作原理和结构、传感器总电容c是式中L0、b0极板的长度和宽度即l第二种介质进入极板间的长度。 如果是电介质，则在L=0时，传感器初始电容：如果电介质进入极间l，则与电介质的移动量l呈直线关系，引起电容的相对变化。 4.2静电电容式传感器的灵敏度和非线性由以上分析可知，变极间距型静电电容传感器以外的几种形式的传感器的输入量与输出电容的关系为线性，因此仅研究变极间距型平板电容传感器的灵敏度和非

8、线性。 根据式C=C0 C0d/d0可知，当电容的相对变化量为：时，上式能够级数地展开，因此4.2电容式传感器的灵敏度及非线性，从上式可知，在输出电容的相对变化量C/C与输入位移d之间存在非线性的关系。 此时，可以省略高次项，得到近似的线性：电容传感器的灵敏度表示由单位输入位移引起的输出电容的相对变化的大小与d0成反比。 4.2关于电容式传感器的灵敏度和非线性，考虑到级数展开式中的线性项和二次项，可知传感器的相对非线性误差为了提高灵敏度应该减小起始间隙d0，但非线性误差随着d0变小而变大。 在实际应用中，为了提高灵敏度、减小非线性误差，多采用差动式结构。 4.2静电容量式传感器的灵敏度和非线性

9、，下图是可变极距型差动平面型静电容量式传感器的结构示意图。 若差动式平板电容器可动极板发生位移，则电容器C0的间隙d1成为d0-d，电容器C2的间隙d2成为d0 d，则图4-7差动平板型电容器结构、4.2静电电容式传感器的灵敏度及非线性成为级数展开：电容值的总变化量， 电容值的相对变化量：省略4.2关于静电电容式传感器的灵敏度及非线性，仅考虑电容值的相对变化量式中的线性项和三次项时，静电电容式传感器的相对非线性误差比较接近以上的式子，将静电电容式传感器设为差动式时灵敏度加倍，非线性误差大幅降低。 4.3的特征和应用存在的问题，4.3.1静电容量式传感器的特征1的优点：温度稳定性好，静电容量式传

10、感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，而且由于自身的发热极小，影响稳定性非常小。 电阻传感器有电阻，供电后发热感应式传感器有铜耗、电泳、涡流损耗等，容易发热零漂移的发生。结构简单的电容式传感器结构简单，制造简单，容易保证，4.3的特点和应用存在的问题，高精度，非常小，能够实现某种特殊的测量，能够在高温、强辐射及强磁场等恶劣环境下工作，经受住大的温度变化，能够承受高压、高冲击、过载动态响应良好的静电电容式传感器带电极板之间的静电引力小(几个左右)，需要的作用能极小，而且其可动部分小，即轻量，因此固有频率高，动态响应时间短，在几兆赫、兹的频率下工作，特别适合动态测量。 还有，

11、因为介质损耗较小，所以能够以较高频率供给电力，系统的工作频率较高。 可用于测量高速变化的残奥仪表。 可进行旋转轴的振动、偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等具有平均效果的非接触测量。 采用非接触测量，电容式传感器具有平均效果，能够降低工件表面粗糙度等对测量的影响。4.3特征和应用存在的问题、4.3特征和应用存在的问题、静电电容式传感器除上述优点外，带电极板间的静电引力小，所需的输入输出和输入能量极小，因此可以测量极低的压力、力和小的加速度、位移等。 灵敏度高，分辨率高，能够对0.01m以下的位移敏感。 空气等的介电损耗小，采用差动结构进行桥接时产生的零残极小，因此允许电路的高倍率放大，设备的灵敏度

12、提高。 4.3特点和应用存在的问题，2缺点输出阻抗高、负载能力差的静电电容式传感器的电容受其电极几何尺寸等的限制，一般从几种皮法到几百皮法，传感器的输出阻抗高，特别是在采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗较低因此，传感器的负载能力差，容易受到干扰的影响而变得不稳定，严重的情况下不动作。 4.3特征和应用中存在的问题，寄生电容影响大的静电电容式传感器受到结构和尺寸的限制，因此初始电容小(几pF到几十pF )，连接传感器和电子电路的引线电容(12m导线达到800pF )， 电子电路的寄生电容及由传感器内极板和其周围的导体组成的“寄生电容”很大，4.3特征和应用中存在的问题，4.3.2应用中存在的问

13、题1静电电容式传感器的等效电路上节各种静电电容式传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。 这也可能在传感器的附加损耗可被忽略的情况下。 考虑到静电电容传感器在高温、高湿以及高频激励的条件下工作，其附加损耗和电效应的影响不能忽略时，其等效电路如下图所示。图4-8静电电容式传感器的等效电路、4.3特征和应用上的问题点，图中l是包含引线电缆电感和静电电容式传感器自身的电感的C0是传感器自身的电容器Cp是引线电缆、所连接的测定电路及极板和外界形成的总寄生电容，克服其影响Rg是低频损耗的并联电阻，包括极板间泄漏和介质损耗的Rs是高湿、高温、高频激励动作时的串联损耗电组，包括引线、极板间和金属支撑台

14、等的损耗电阻。 4.3特征和应用存在的问题是，低频时传感器电容的阻抗非常大，l和Rs的影响可忽略的等效电容Ce=C0 Cp； 等效电阻ReRg。 低频等效电路如下图所示。 在高频的情况下，电容的阻抗变小，l和Rs的影响不能忽略，漏电的影响可以忽略，其中Ce=C0 Cp、ReRs。 高频等效电路如下图所示。图4-9的低频等效电路图4-10的高频等效电路、4.3的特征和应用上的问题是，根据高频等效电路，由于电容传感器电容一般较小，所以即使电源频率采用数兆赫，电容电阻也较大，Rg和Rs可以忽略，所以此时的电容传感器的等效灵敏度是该传感器电容4.3特征和应用中存在的问题是，在2边缘效应以上分析各种电容

15、式传感器时也忽略了边缘效应的影响。 实际上极板厚度h与极间距离d之比相对较大时，不能忽视边缘效应的影响。 此时对于极板半径为r的变极间距型静电电容传感器，其静电电容值应按下式校正：边缘效应不仅降低了静电电容传感器的灵敏度，而且产生了非线性。 4.3特征和应用中存在的问题可以采用如下图所示的带保护环的结构以消除边缘效应的影响。 保护环与定极板同心，在电绝缘且间隙越小越好的同时，始终保持等电位，保证在中间工作区域得到均匀的电场强度分布，克服边缘效应的影响。 为了减薄极板的厚度，不是将金属板整体作为极板，而是使用石英或陶瓷等非金属材料，将薄层金属作为极板进行蒸镀的情况较多。图4-11带保护环的静电电

16、容传感器的原理图、4.3特征和应用存在问题，3静电引力静电电容式传感器的两极板之间存在静电场，有静电引力或力矩。 静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。 通常，在采用这种静电引力小但推进力小的弹性传感器的情况下，需要考虑由静电引力引起的测定误差。 4温度影响环境温度的变化使静电电容传感器的输出相对于被测定输入量的一值函数关系变化，导入温度干扰误差。 此影响主要存在4.3的特点和应用问题，(1)温度对结构尺寸的影响静电电容传感器间隙极小，因此对结构尺寸的变化特别敏感。 传感器各部件材料的线膨胀系数不一致时，由于温度变化，极间隙发生较大的相对变化，产生较大的温度误差。 在设置、

17、校正静电电容式传感器时，可以适当选择材料及相关结构残奥仪表，满足温度误差补偿要求。 (2)温度对介质的影响温度对介电常数的影响因介质而异，空气和云母的介电常数温度系数几乎为零，而硅油、灯油等液体介质的介电常数温度系数大。 4.4静电电容式传感器的校正测量电路、静电电容式传感器的电容值以及电容变化值都非常微小，这样的微小的电容量在当前的显示器上不能直接显示，记录校正难以接受，传输不便。 必须用测定电路检测该微小电容的增量，并将其变换为成为一值函数关系的电压、电流或频率。 电容转换电路包括频率调制电路、运算放大器式电路、二极管双t型交流桥、脉冲宽度调制电路等。 4.4静电电容式传感器的测量电路、4.4.1调频测量电路调频测量电路将静电电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分。 当电容根据输入量而变化时，振荡器的振荡频率发生变化。 可以通过利用频率作为测量系统的输出来判断所测量出的非电力量的大小，然而，由于该系统非线性难以校正，因此，可以添加鉴别器，使用该鉴别器来调整非线性特性以补偿其他部分