电容式传感器精讲课件

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1、1,3.4电容式传感器,2,主要内容,第一节 工作原理及结构形式 第二节 测量电路 第三节 电容式传感器的应用,3,电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。 结构简单、高分辨率、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特的优点。,4,第一节 工作原理及结构形式,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器， 如果不考虑边缘效应，其电容量为,式中: 电容极板间介质的介电常数, =0r , 其中0为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; S两平行板所覆盖的面积; 两平行板之间的距离。,上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,一

2、、基本工作原理,5,当被测参数变化使得S、 d或r发生变化时， 电容量C也随之变化。 如果保持其中两个参数不变，而仅改变另外一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，经过测量电路就可转换为电量输出。 电容式传感器可分为变极距（间隙）型、 变面积型和变介电常数型电容传感器三种。,6,几种不同的电容传感器结构,7,二、变极距（间隙）型电容传感器,变极距型电容式传感器,1. 静特性方程式及线性化,当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为,8,若电容器极板间距离由初始值0缩小了，电容量增大了C，则有,变换可得：,9,在右式中，若/01时，则展成级数：,此时C与近似呈线性关

3、系，所以变极距型电容式传感器只有在/0很小时，才有近似的线性关系，一般最大位移应小于间距的1/10。,略去各非线性项后，才能得到近似线性关系：,即：,10,其相对非线性误差为：,由此也可以说明，增大或减小，皆可使非线性误差增大。因此，这类传感器适于测量微小的输入位移。,11,输出电容的相对变化量C与输入位移之间近似成线性关系：,电容传感器的灵敏度为,2. 灵敏度,说明：单位输入位移所引起的输出电容变化的大小（即灵敏度）与0的平方呈反比关系。,12,（1）0越小 ，灵敏度越高。但0过小，容易引起电容击穿或短路。为此，可以在极板间放置云母片或其它介电常数高的材料加以改善，如右下图所示,此时电容量C

4、为,讨论：,放置云母片的电容器,此方法不仅可以防止了0过小引起的电容击穿或短路，而且改善了系统的线性度。,式中：y云母的相对介电常数，y=7； 0空气的介电常数，0=1； 0空气隙厚度； y云母片的厚度。,13,放置云母片的电容器,在右式中，0=1，则简化为,如果0减小，电容便增大C，由上式可得到,式中,14,对上式进行整理，则有,通常 ，于是上式可用级数展开得到,考虑到很小，则可略去各高次项近似得到,15,上两式表明，N1不仅是灵敏度因子，而且是非线性因子。N1的值取决于固体介质的介电常数和电介质的厚度比。增大N1值，可提高灵敏度，但同时也增大了非线性。,表 电介质材料的相对介电常数,17,

5、（2）为了提高灵敏度，减小非线性，传感器常做成差动式结构，如右图所示。,讨论：,图 差动式电容传感器,在差动式电容传感器中，当动极板位移时，一边极距减小，电容量增加到C0+C，其特性方程如前所述，另一边极距增加，电容量减小到C0-C，其特性方程为,18,总输出为两式相减，即得电容值的变化量为：,略去高次项，则近似得到线性关系,讨论：,差动式电容传感器的相对非线性误差为：,由此可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高了一倍，非线性减小了一个数量级。,19,面积变化型电容传感器,三、变面积型电容传感器,如右图所示，被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于

6、定极板沿长度方向平移x时，则电容量为,20,灵敏度KC为,以上两式表明，变面积型电容传感器的静态特性是线性的。增大b，减小0可提高传感器的灵敏度。 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但过小的话会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。,21,角位移变化型,右图为电容式角位移传感器，其电容量为,当有效覆盖S0 S时，则：,可见C 与S的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数。,22,说明输出与输入也呈线性关系。 面积变化型与极距变化型相比，其线性度好，但灵敏度低，适用于较大位移的测量。,灵敏度KC为,（常数）,23,电容传感器 1定板 2动板,图a为角位移型,灵敏度,图b为平面线位移型,灵敏度,图c为圆柱体线

7、位移型。电容,灵敏度,24,四、变介电常数型电容传感器,下图为其结构原理图。图中两平行极板固定不动，极距为d，相对介电常数r2的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并联，即：,25,若电介质r1=1，则：,当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：,故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系。,26,可见：此电容器的电容增量正比于被测液位高度x。 电容C与液面高度x成线性关系。,右图是变介质电容传感器用于测量液位高低的结构原理图。此时电容器电容值为：,电容式液位传感器,27,介质变化型电容传感器 a)介质温度、湿度、厚度测量 b)液位测量,（

8、1）当运动介质的厚度保持不变时，而介电常数变化时，电容随之作相应变化，可用此作为测量粮食、纺织品、木材、煤等非导电固体介质的湿度。,（2）当介电常数不变，运动介质的厚度改变时，电容也随之变化，可用此来测量纸张、绝缘薄膜的厚度。,28,电容传感器的特点,优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ） 2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应,29,缺 点：,1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感

9、器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大,30,电容传感器的设计要点,减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 尽可能采用差动式电容传感器,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,31,五 电容传感器性能的改善,（1）静电击穿问题 应对办法：为防止击穿，通常在两极板间再附加一层云母或塑料薄片。 （2）边缘效应 应对办法：增设防护电极，如图所示。,32,（3）寄生电容 产生原因：电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄

10、生电容。 应对办法：对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地（驱动电缆技术）。,33,驱动电缆技术：这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。 （4）温度误差 应对办法：选择合适的电极材料或在测量电路中加以补偿。,34,电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感； r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容 Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外

11、界所形成的总寄生电容 Rg是极间等效漏电阻 极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,35,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容C=C0+Cp， 等效电阻ReRg,36,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer,37,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,38,第二节 测量电路

12、,一、变压器电桥,输出空载电压,初始平衡状态，C1=C2=C, u0=0,对于变极距差动电容传感器有：,代入，得,线性良好,39,二、运算检测电路,运算检测原理图,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路，如图示。 由运算放大器工作原理可得,如果传感器是一只平板电容，则Cx=0S/，代入，可得,40,输出电压与动级片的输入位移呈线性关系； 需要高精度的交流稳压源，输出亦为交流电压，需要经精密整流变为直流电压输出； 电容传感器的电容小，容抗高，所以传感器与运算放大器之间的连接需要屏蔽措施； 不适用于差动式电容传感器的测量

13、。,结论：,41,三、差动脉冲调宽电路,脉冲宽度调制电路图,42,脉冲宽度调制电路电压波形,43,电路各点波形如上图（b）所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后， 可获得Usc输出,式中： U1触发器输出高电平； T1、T2C1、C2充电至UF时所需时间。,其中,44,将T1、T2代入得,对于变间隙式差动电容传感器，可得,对于变面积式差动电容传感器，可得,45,结论：,面积变化型和极距变化型差动电容传感器，均能获得线性输出特性； 不需附加相敏检波器，经过低通放大器就能得到较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。

14、 仅需一电压稳定度较高的直流电源，而不需要高稳定度的稳频稳幅的交流电源。,46,四、调频电路,调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度， 可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。,特点：,调频式测量电路原理框图,47,五、谐振电路,谐振电路将电容传感器C3作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当被测量变化引起电容传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应变化，通过整流器变为电流的变化，再经放大器放大即可指示输入量的大小。,48,桥式检测电路框图,补

15、充：桥式电路,49,交流电桥平衡条件,电容电桥的桥式接法,补充：桥式电路,50,第三节 电容式传感器的应用,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10-7F的电容值0.01F的绝对变化量和高达(C/C）100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；(2)动极板质量小，可实现非接触测量；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。,51,一、 电容式压力传感器,右图为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定

16、电极，构成差动电容器。,当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,电容式差压变送器,高压侧 进气口,低压侧 进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,各种电容式差压变送器外形,各种电容式差压变送器外形,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p = g h,56,二、 电容式加速度传感器,差动式电容加速度传感器结构图,电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统