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1、电容式传感器第1页，共58页，编辑于2022年，星期日电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：结构简单、体积小、分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。第2页，共58页，编辑于2022年，星期日第一第一节 工作原理、工作原理、结构和特性构和特性C=C=0 0r rA/A/基本工作原理：物体间的电容量及其结构参数之间的关系物理学电容器的电容是构成电容器的两极板形状、
2、大小、相互位置及电介质介电常数的函数以平板电容为例忽略边缘效应(4-1)即：C=f(、A、r)若被测量的变化使式中三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化。电容式传感器变极距型变面积型变介质型测介质的各种状态参数角位移线位移第3页，共58页，编辑于2022年，星期日(1)变极距型传感器变极距型传感器4.1.1 4.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 第4页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.1为这种传感器的原理图。当传感器的r和A为常数，初始极距为0，由式(4-1)可知其初始电容量C0为(4-2)图4.1 变极距型当动极端板向上移动使0减小0时，电容量增大C则有(4-
3、3)传感器输出特性Cf()是非线性的，如图4-2所示。第5页，共58页，编辑于2022年，星期日 如果满足条件(0/0)1，式(4-4)可按级数展开成电容相对变化量为：(4-4)(4-5)略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为(4-6)(4-7)第6页，共58页，编辑于2022年，星期日如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则 (4-8)式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如曲线2。第7页，共58页，编辑于2022年，星期日由上讨论可知：由上讨论可知：(1)(1)变极距型电容传感器只有在变极距型电容传感器只有在|0 0/0 0|很小很小(小测量范围小
4、测量范围)时，才有时，才有近似的线性输出；近似的线性输出；(2)(2)灵敏度灵敏度S S与初始极距与初始极距0 0的平方成反比的平方成反比，故可用，故可用减少减少0 0的办法来提高灵的办法来提高灵敏度敏度。例如在电容式压力传感器中，常取。例如在电容式压力传感器中，常取0 00.10.10.2mm0.2mm，C C0 0在在2020100pF100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m0.01m的线的线位移，故在微位移检测中应用最广。位移，故在微位移检测中应用最广。(4-9)因此，以式4-6作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差ef为第8
5、页，共58页，编辑于2022年，星期日由式由式(4-9)可见可见,0的减小会导致非线性误差增大；的减小会导致非线性误差增大；0过小还可能引过小还可能引起电容器击穿或短路。起电容器击穿或短路。极板间可采用高介电常数的材料极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等云母、塑料膜等)作介质作介质，如图，如图4.4所示。所示。(4-10)相应的介质厚度为相应的介质厚度为1、2，设两种介质的相对介电质常数为设两种介质的相对介电质常数为r1(空气：空气：r11)、r2，解决办法则有则有第9页，共58页，编辑于2022年，星期日(4-11)图图4.5所示为所示为差动结构差动结构，由式由式(4-4)和式和式(
6、4-5)可得电容总的相对变化量为可得电容总的相对变化量为向上向上时，两边极距为时，两边极距为10-，20+；两边初始电容相等两边初始电容相等。初始位置时，初始位置时，120，第10页，共58页，编辑于2022年，星期日略去高次项，可得近似的线性关系略去高次项，可得近似的线性关系(4-12)相对非线性误差相对非线性误差e ef f为为(4-13)上式与式上式与式(4-6)(4-6)及式及式(4-9)(4-9)相比可知，相比可知，差差动式比式比单极式灵敏度提极式灵敏度提高一倍高一倍，且，且非非线性性误差大差大为减小减小。由于。由于结构上的构上的对称性，它称性，它还能有效地能有效地补偿温度温度变化所
7、造成的化所造成的误差。差。第11页，共58页，编辑于2022年，星期日4.1.2.4.1.2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器第12页，共58页，编辑于2022年，星期日被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A A改变，从改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度0 0方向平移方向平移时，则电容为时，则电容为 (4-14)第13页，共58页，编辑于2022年，星期日输出特性呈线性！输出特性呈线性！电容的相对变化量为(4-15)为初始电容(4-16)必须指出，上述讨论只在初始极距必须指出，上述
8、讨论只在初始极距0 0精确保持不变时成立，精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用图否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用图4-6(b)4-6(b)所所示中间极移动的结构。示中间极移动的结构。结论因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。灵敏度为灵敏度为第14页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.7 变面积型差动式结构(a)扇形平板结构；(b)柱面板结构第15页，共58页，编辑于2022年，星期日变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动
9、式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图4-7所示。图中：A、B为同一平(柱)面而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(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。对图(a)有(4-17)第16页，共58页，编辑于2022年，星期日对图(b)有上两式中初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包的角度(或所对的圆心角)；0、r同前。当动极板C随角位移()输入而摆动时两组电容值一增一减，差动输出。(4-18)第17页，共58页，编辑于2022年，星期日4.1.34.1.3变介质型电容传
10、感器变介质型电容传感器第18页，共58页，编辑于2022年，星期日这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。图4.8为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动，极距为0，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。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。由式(4-1)(4-19)第19页，共58页，编辑于2022年，星期日 图4.8 变介质型电容传感器(a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量式中0、b0极板长度和宽度；第二种电介质进入极间的长度。第20
11、页，共58页，编辑于2022年，星期日上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。如图(b)所示，将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。由式(4-20)可知，测出的电容量即反映灌装高度。若电介质为空气(r11)，当介质2进入极间后引起电容的相对变化为当0时传感器的初始电容(4-20)电容的变化与电介质2的移动量成线型关系。结论第21页，共58页，编辑于2022年，星期日RpRCLCRC：串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。Rp：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。L：电容器及引线电感。v电容传感器测量必须在同样条件下进行。电容传感器测量必须在同样条件下进行。v改变
12、电源频率、更换电缆，必须重新标定。改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。传感器有效电容计算：3.3等等效效电电路路CeReLreCe第22页，共58页，编辑于2022年，星期日第二第二节 应用中存在的用中存在的问题4.2.1 4.2.1 等效电路等效电路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，其等效电路如图4.9所示。图4.9 等效电路 C-为传感器电容Rp-为低频损耗并联电阻,包含极板间漏电和介质损耗Rs-为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L-为电容器及引线电感；Cp-为寄生电容，克服其影响，是提高
13、电容传感器实用性能的关键之一，第23页，共58页，编辑于2022年，星期日(4-21)(4-22)在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容变化，从而引起传感器有效灵敏度的改变在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。2.边缘效应边缘效应实际上当极板厚度h与极距之比相对较大时，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：第24页，共58页，编辑于2022年，星期日产生非线性、灵敏度降低(4-23)边缘效应的后果解决办法采用带有保护环的结构采用带有保护环的结构图4.10 带有保护环的电容传
14、感器原理结构第25页，共58页，编辑于2022年，星期日3.静静电引力引力 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。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。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。第26页，共58页，编辑于2022年，星期日4.寄生寄生电容容 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(几pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联(见图4.9)，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没
15、有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。第27页，共58页，编辑于2022年，星期日 这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输入的相移为零。为此有人提出，用运算放大器驱动法取代上述方法。图4.11 驱动电缆法原理图驱动电缆法驱动电缆法它实际上是一种等电位屏蔽法。如图4.11所示：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为
16、1的驱动放大器，(接线如图示)。第28页，共58页，编辑于2022年，星期日.整体屏蔽法整体屏蔽法以差动电容传感器Cx1、Cx2配用电桥测量电路为例，如图4.12所示；U为电源电压，K为不平衡电桥的指示放大器。所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。本例中接地点选在两平衡电阻R3、R4桥臂中间，与整体屏蔽共地。图4.12 整体屏蔽法原理图第29页，共58页，编辑于2022年，星期日 这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容C1同测量放大器的输入阻抗相并联，从而可将C1归算到放大器的输入电容中去。由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，C1的并联也是不希
17、望的,但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容C3及C4是并在桥臂R3及R4上，这会影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。.采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术 一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；第30页，共58页，编辑于2022年，星期日更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。5.温度影响温度影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相
18、对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：.温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。第31页，共58页，编辑于2022年，星期日在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。.温度对介质的影响温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数
19、可达0.07%/；若环境温度变化50，则将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。第32页，共58页，编辑于2022年，星期日电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。第三第三节 测量量电路路 第33页，共58页，编辑于2022年，星期日(4-24)4.3.1.变压器电桥变压器电桥如图4.13所示，C、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为图4.13 变压器电桥第34页，共58页，编辑于2022年，星期日对变极距型电容传感器，代入上式得对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗对变极距型差动电容传感器的变压
20、器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈极大时，其输出特性呈线性线性。结论第35页，共58页，编辑于2022年，星期日当当C1C1或或C2C2变化时，变化时，RLRL上产生的平均电流将不再为零，因而有上产生的平均电流将不再为零，因而有信号输出。其输出电压的平均值为信号输出。其输出电压的平均值为4.3.2.双双T二极管交流电桥二极管交流电桥如图4.14所示无位移输入时，无位移输入时，C1C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。压输出。图图4.144.14双双T T二极管交流电桥二极管交流电桥(4-25)第36页，共58页，编辑于2022年，星期日式
21、中：f为电源频率。当RL已知时，上式中 为常数，则 (4-26)第37页，共58页，编辑于2022年，星期日该电路适用于各种电容式传感器。它的应用特点和要求：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响；线路简单；(5)输出电压较高。第38页，共58页，编辑于2022年，星期日 当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器
22、IC1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平(U1)。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。图4.15 差动脉冲调宽电路4.3.3.脉冲调宽电路脉冲调宽电路第39页，共58页，编辑于2022年，星期日 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图4.16(a)所示，Q 和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图4.16(b)所示，Q、两端间的平均电压
23、(经一低通滤波器)为(4-27)式中：T1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。第40页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.16 各点电压波形图第41页，共58页，编辑于2022年，星期日当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式(4-27)有 (4-28)这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 (4-29)第42页，共58页，编辑于2022年，星期日（4 4）差动脉冲调宽电路）差动脉冲调宽电路 又称差差动动脉脉宽宽(脉脉冲冲宽宽度度)调调制制电路电路利用对传
24、感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G3.4测量电路测量电路第43页，共58页，编辑于2022年，星期日tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0第44页，共58页，编辑于2022年，星期日UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为
25、C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为 设R1R2R，则 结论：结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。第45页，共58页，编辑于2022年，星期日（5 5）运算放大器式电路）运算放大器式电路特点：能够克服变极距型电容式传感器的非线性。将Cx=代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非线性误差，但
26、一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。3.4测量电路测量电路第46页，共58页，编辑于2022年，星期日4.3.44.3.4运算放大器电路运算放大器电路这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。图4.17为其电原理图。C1为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0，即(4-30)第47页，共58页
27、，编辑于2022年，星期日图4.17 运算放大器电路式中 Ui为信号源电压，C0为固定电容，要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器(C10rA/)，式(4-30)可写为第48页，共58页，编辑于2022年，星期日(4-31)可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。第49页，共58页，编辑于2022年，星期日第四第四节电容式容式传感器及其感器及其应用用随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：(1)分辨力极高，能测量低达10-7的电容值0.01m 的绝对变化量和高达(C/C100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接
28、触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性；(3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；(4)过载能力强。第50页，共58页，编辑于2022年，星期日4.4.14.4.1电容式位移传感器电容式位移传感器 图4.18所示为一种变面积型电容式位移传感器。它采用差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变化。它用于接触式测量，电容与位移呈线性关系。图4.18 电容式位移传感器 1-测杆；2-开槽簧片；3-固定电极；4-活动电极第51页，共58页，编辑于2022年，星期日
29、4.4.24.4.2电容式加电容式加速度传感器速度传感器AIS4120是单轴电容式加速度传感器。传感器完全温度补偿。安装简单，直接粘上就可使用。信号由一根电缆直接输出，电缆灵活，易于操作。第52页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.19所示为电容式传感器及由其构成的力平衡式挠性加速度计。敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成；并由石英挠性梁弹性支承，其稳定性极高。固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构；两极面均镀金属膜形成电极。由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式力发生器，互为推挽结构，这大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。工作时，质量组件敏感被测加速度，使电容传感
30、器产生相应输出，经测量(伺服)电路转换成比例电流输入力发生器，使其产生一电磁力与质量组件的惯性力精确平衡，迫使质量组件随被加速的载体而运动；此时，流过力发生器的电流，即精确反映了被测加速度值。第53页，共58页，编辑于2022年，星期日在这种加速度传感器中，传感器和力发生器的工作面均采用微气隙“压膜阻尼”，使它比通常的油阻尼具有更好的动态特性。典型的石英电容式挠性加速度传感器的量程为0150m/s2，分辨力110-5m/s2，非线性误差和不重复性误差均不大于0.03%F.S.。图4.20所示为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重
31、时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。第54页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.20电容式称重传感器4.4.3电容式力和压力传感器电容式力和压力传感器1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架第55页，共58页，编辑于2022年，星期日图4.21 电容式压力传感器小膜盒电容式变送器第56页，共58页，编辑于2022年，星期日 图4.21为一种典型的小型差动电容式压差动传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大)可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙，越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。这种传感器可与图4.15所示差动脉冲调宽电路相联构成测量系统。第57页，共58页，编辑于2022年，星期日第58页，共58页，编辑于2022年，星期日