电容式传感器-2

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1、1,同学们好！,第4章 电容式传感器,4.1传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例,3,4.3 电容式传感器的特点及等效电路,4.3.1 电容传感器的特点 优点 缺点,4,优点： 温度稳定性好 结构简单、适应性强 动态响应好 可以实现非接触测量，具有平均效应点,5,1.温度稳定性好 电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，其他因素影响甚微。 电阻式

2、传感器有电阻，供电后产生热量； 电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引 起发热产生零漂。,6,2.结构简单、适应性强 易制造、保证高的精度； 能在高低温、强磁场及辐射等条件工作； 在高压力、高冲击、过载情况下都能工作； 体积可做得很小，满足特殊要求测量。,7,3.动态响应好 动态响应时间很短，其介质损耗小可以用较高的频率供电，故系统工作频率高。 测量振动、瞬时压力。 4.可以实现非接触测量，具有平均效应 采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面不平等测量的影响。,8,其他优点： 其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等

3、，可以做得很灵敏，分辨率高； 其空气等介质损耗小，采用差分结构并接成桥式时产生的零残极小，允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。,9,缺点： 输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大 输出特性非线性,10,1.输出阻抗高，负载能力差 由于电极的尺寸限制不宜做大，所以电容值达到几到几百微法，所以输出阻抗高，负载能力小，易受外界干扰而不稳定。必须做好屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器性能。 采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频复杂，且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。,11,2.寄生电流影响大 寄生电容：连接传

4、感器和电子线路的引线电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容。 降低了传感器的灵敏度，而且由于其随机变化影响测量精度。 采用屏蔽性好、自身分布电容小的高频电线作为引线，且引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等等。,12,3.输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性，虽可采用差分型改善，但不可能完全消除。只有忽略电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将于传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。,13,4.3 电容式传感器的特点及等效电路,4.3.2 电容式传感器的等效电路 如图4-4（a）平板电容器，研究从输出端A、B两点来看等效

5、电路。 如图4-4（b）所示，其中L为传感器的电感；R为传输线的有功电阻，在集肤效应（当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流通）较小的情况下， 即当传感器的激励电压频率较低时，其值甚小；C为传感器的电容；Cp为归结A、B两端的并联寄生电容；Rp为极板间等效漏电电阻，选取保证足够大。,14,图4-4 电容式传感器的等效电路,15,从上述等效电路可知，在较低频率下使用时（激励电路频率）较低），L及R可以忽略不计，而只考虑Rp对传感器的分路作用。当使用频率增高时，就应考虑L及R的影响，而且主要是L的存在使得AB两端的等效电容Ce随频率增加而增加，由下式可求的Ce：,同时传感器的灵敏度ke也将随

6、激励源频率改变,16,Ce电容传感器等效电容由于输入被测量d的改变而产生的增量,即有,在较高激励频率下使用这种传感器时，每当改变激励频率或者更换传输电线时都必须对测量系统重新进行标定。,17,4.4 电容传感器的设计要点,电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的特点是与其正确设计、正确选材以及精细加工工艺分不开。 在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和好的频率响应等，但一般不易达到理想程度，因此经常采用折中方案。,18,4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，以保证绝缘材料的绝缘性能。温度变

7、化使传感器内个零件的几何尺寸的相互位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容传感器的电容量，产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。,19,1、传感器的金属电极的材料选温度系数低的铁镍合金为好（难加工）；或在陶瓷或石英上喷镀合金或银的工艺（薄)，可减少边缘效应； 2、密封或电极表面镀上极薄的惰性金属层。（防尘、防温、防湿、防腐蚀等）； 3、电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能（温度系数小和几何尺寸、稳定性好、并具有高的绝缘电阻、低的吸潮和高的表面电阻的材料做支架； 4、尽量采用空气或

8、云母等介电常数的温度系数近视为零的电介质（也不受到湿度变化的影响）作为传感器的电介质。,差分对称结构,20,4.4.2消除和减小边缘效应 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，因此应尽量消除或减小它。 适当减小极间距，使极径与间距比更大，可减少边缘效应，但易产生击穿并有可能限制测量范围。也可以采用上述电极放得极薄使与间距相比很小的方法来减少边缘电场的影响。除此之外，可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图4-5（a）、（b）所示。等位环3与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电子线平直，两电极间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3的外周，不影响工作。,21,图4-5 带

9、有等位环的平板电容传感器结构原理图,22,4.4.3消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵 敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。,23,1、增加原始电容值可减小寄生电容的影响： 采用减小极片或极筒间的间距，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值。但这受到加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。 2、注意传感器的接地和屏蔽： 图4-6为采用接地屏蔽的圆筒电容传感器。图中可动极、筒与连杆固定在一起随被测值位移。可动极筒与传感器的屏蔽壳同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值保持不变。 电缆引线也必须屏蔽到传感器

10、屏蔽壳内。为了减少电缆电容的影响，应尽量使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电子线路前置级的距离。,24,图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图,25,3、将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。（高温、环境差） 4、采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术)： 图4-7所示，传感器与电子线路放置级间的引线为双屏蔽电缆，其内屏蔽层与信号传输导线（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蔽层之间的电容。由于屏蔽层上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此成为“驱动电路”采用这种技术可使

11、电缆线长达10m之远也不影响仪器性能。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外电场的干扰。,26,图4-7 “驱动电缆”技术电原理图,27,5、采用运算放大器法： 图4-8所示利用放大器的虚地来减小电缆电容Cp影响的电原理图。图中，电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/（1+K），K为开环放大倍数，因而减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。,28,图4-8 运算放大器法电原理图,29,6、整体屏蔽

12、法： 将电容传感器和所采用的转换电路，传输电缆等用同一屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点来消除寄生电容的影响和防止外界的干扰。图4-9（a）为整体屏蔽法的应用。接地点选在电桥两电阻桥臂中间，使电缆电容并在放大器的输入端，只影响放大器的输入阻抗而不影响仪器的正常工作，但结构较为复杂。当采用差分电容传感器、紧耦合变压器供作电源并为桥臂，双屏蔽电缆作为引线时（见图4-9（b），电缆线则可长达10m以上仍能工作。图中外屏蔽层接地，内屏蔽层接变压器二次侧（副边）、中间抽头，使芯线与内屏蔽层间的电容和内外屏蔽层电容相串联后影响传感器，因此大大减小了电缆电容的影响。,30,图4-9 两个整体屏蔽法例子,31,4

13、.4.4 防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。,32,4.5 电容式传感器的转换电路,电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 目前这样的转换

14、电路种类很多，一般归结为两大类型 1、调制型 2、脉冲型(或称为电容充放电器),33,4.5 电容式传感器的转换电路,4.5.1 调制型电路 调频电路 调幅电路 1交流激励法 2. 交流电桥电路,34,调频测量电路是把电容式传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡器频率产生相应的变化。再通过鉴频电路将频率的变化转换成振幅的变化，经放大器放大后进行显示，这种方法叫调频法。,一、调频型电路,图4-10 调频电路,35,振荡回路固有电容,引线分布电容,传感器电容,调频振荡器的振荡频率由下式决定：,调频振荡器的固有频

15、率：,传感器工作时，C变化，相应的频率：,振荡器输出是一个受被测信号调制的调制波，其 由下式决定：,36,配有这种电路的系统，在其电路输出端取得的是具有调幅波的电压信号，其幅值近似地正比于被测信号。,二、调幅电路,图4-11 交流激励法基本原理图,1、交流激励法,交流激励法测出电容变化量的基本原理图如图4-11（a）,37,次端的等效电路如图4-11（b），其中E2为二次侧感应电动势：,M耦合电路的互感系数 振荡源的频率,图中L为变压器二次线圈的电感值；R为变压器二次线圈的直流电阻值；Cx为电容传感器的电容值,38,即,由上式可得uc，其幅值的模Uc为,39,如果传感器初始电容值为C0，电感电

16、容回路的初始谐振频率为,则有：,将0、Q及K值代入上页式中：,40,图4-12中的曲线1作为此回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，则可确定其工作在A点上。当传感器工作时，引起电容值改变，从而将使谐振曲线左右移动，工作点也在同一频率f的纵坐标直线上下移动（如B、C点），可见最终在电容传感器的电压降将发生变化。因此，电路输出的电信号是与激励源同频率，幅值则随被测量的大小而改变的调幅波。,图4-12 谐振曲线图,正确选择A点非常重要，常在传感器电容Cx上并联一个可微调的小电容起调整作用。,41,2、交流电桥,将电容式传感器接入交流电桥的一个臂或两个臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。如图4-13所示：,图中U为电桥电源电压，U0为电桥输出电压,图中Cx是单极式电容传感器的电容，C0是与它匹配的固定电容，其值与传感器初始电容相同。Cx1、Cx2为差分式传感器的两个电容。U是电桥电源电压，U0是电桥输出电压，E为变压器二次侧感应电动势。测量前Cx1=Cx2或Cx=C0，电桥平衡