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1、第4章 电容式传感器,特点和应用中存在的问题,1.2,第4章 电容式传感器,测量电路,4.3,电容式传感器及其应用,4.4,电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数0 (8.8541012F/m)、极板间介质的相对介电常数r、极板的有效面积A以及两极板间的距离有
2、关： (4-1) 若被测量的变化使式中、A、r三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。,第一节 工作原理、结构和特性,C=0rA/,第4章 电容式传感器,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),4.1.1 变极距型电容传感器,图4.1 变极距型电容传感器原理图,当动极端板因被测量变化而向上移动使0减小0时，电容量增大C则有 (4-3) 可见，传感器输出特性Cf()是非线性的，如图4-2所示。电容相对变化量为
3、 (4-4) 如果满足条件(0/0)1，式(4-4)可按级数展开成 (4-5),第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,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 和 如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则 ,(4-6),(4-7),(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。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4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,由上讨论可知： (1)变极距型电容传感器只有在|0/0| 很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出； (2)灵敏度S与初始极距0的平方成反比，故可用减少0
4、的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取00.10.2mm，C0在20100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m的线位移，故在微位移检测中应用最广。,(4-9),第4章 电容式传感器,由式(4-9)可见, 0的减小会导致非线性误差增大；0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质，如图4.4所示。设两种介质的相对介电质常数为r1 (空气：r11)、r2，相应的介质厚度为1、2，则有,第4章 电容式传感器,(4-10),(4-11),第4章 电容式传感器,略去高次项，可得近似的线性关系,(4-12),相对非线性误差ef为
5、,(4-13),上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。,第4章 电容式传感器,原理结构如图4.6所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度0方向平移时，则电容为,4.1.2.变面积型电容传感器,(4-14),第4章 电容式传感器,(4-16),第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,(4-17),第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,这种电容传感器有较多的结构型式，可以
6、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),4.1.3变介质型电容传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,1.优点： .温度稳定性好 电容式传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，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。,第二节 特点和应用中存在的问题,
7、4.2.1 特点,第4章 电容式传感器,.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。 .动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。,第
8、4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,图中C为传感器电容，Rp为低频损 耗并联电阻，它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，是提高电容传感器实用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，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,图4.9电容传感器的等效电路,(4-21),(4-22),第4章 电容式传感器,(4-23),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。为了消
9、除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图4.10所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。,第4章 电容式传感器,图4.10 带有保护环的电容传感器原理结构,第4章 电容式传感器,3.静电引力 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
10、4章 电容式传感器,4.寄生电容 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。 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1的驱动放大器，(接线如图示)。,第4章 电容式传感器,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
11、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,图4.12 整体屏蔽法原理图,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,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
12、，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4章 电容式传感器,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。 4.3.1.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,第三节 测量电路,(4-24),图4.13 变压器电桥,对变极距型电容传感器，代入上式得,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,(4-25),图4.14 双T二极管交流电桥,
13、(4-26),第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,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。 4.3.3.脉冲调宽电路 图4.15为一种差动脉冲宽度调制电路。,第4章 电容式传感器,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
14、较器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,第4章 电容式传感器,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(经一低通滤波器)为,(4-27),式中：T1
15、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4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,4.3.4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),图4.17 运算放大器电路,第4章 电容式传感器,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,(4-31),第4章 电容式传感器,第4章 电容式传感器,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
