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1、传感器原理及应用,第三章 电容式传感器,3-1 电容式传感器的工作原理,最简单的电容器：用两金属板作电极，中间为某种介质，若忽 略边缘效应时(Sd) （结构决定电容大小）其中：C 电容量（PF）S 极板间相互覆盖面积（ ）D 极板间距离（cm）极板间介质的介电常数（ ）真空的介电常数 （PF/cm）介质相对介电常数 ，对于空气介质 上式也可写成：由式可见，在 ，S，d三个参述中，保持两个固定，改变另一 参数就可改变电容C值且为单值函数。,上一页,下一页,返 回,根据改变参数不同，电容传感器一般分三种类型 一、变面积（S）型（多用于检测位移） A：角位移式电容传感器 当动片有一角位移 时，覆盖面
2、积S 发生变化，电容C随之改变 当 时S：半圆面积当 时电容 与角位移 呈线性关系。灵敏度 ：,上一页,下一页,返 回,B：线位移式电容传感器 当 时S：初始两板覆盖面积 当 时电容 与位移 呈线性关系灵敏度对比上述两种电容传感器可得如下 结论： 增大C0可提高灵敏度（C0：初始电容）；或 变化不能太大，否则边缘效应会引起较大非线性误差。,上一页,下一页,返 回,二、变介电常数型（） 因为不同介质的介电常数不同，若两极间介质发生变化，则电 容C随之改变。这种传感器常用于检测液面高度，片状材料的厚度。A：如下图所示：在液体中放置2个同心圆柱状极板，检测液面变化 。前提条件是该液体不导电，若液体导
3、电则极板需要绝缘。 讨论如下： 设：1液体介质常数 ；气体介质常数 2该电容可视为两个电容器并联即 （C1与C2的 分界处是液面处）,上一页,下一页,返 回,C1,C2,极板间两种介质厚度分别是d0（设为空气）和d1，则此传感器的 电容等于两个电容C0和C1相串联，即：结论： 当 为空气，d1不变， 为待测 时，即是介电常数测量仪； 若介电常数 不变时，d1为待测时，即是厚度测量仪。,上一页,下一页,返 回,Flash,三、变极板间距（d）型如下图所示：极板1固定，极板2随被测量变化而移动时，两极 板间距d0变化，引起电容变化。C随d变化的函数关系为双曲线，如 图示： 设：动片未动时，间距为d
4、0，初始电容为C0，若介质是空气 当间距减小 时，电容量变为（间距 减小，电容增加）,上一页,下一页,返 回,非线性 灵敏度：,上一页,下一页,返 回,电容传感器实物：,3-2 电容式传感器的测量电路,一、等效电路：传感器与测量电路组成一个完整的应用测量系统。因此，在传感 器与电路之间起连接作用的导线、接线柱、传感器自身导体部份的 电参数都被加入到测量回路中，这些参数将直接影响测量的结果， 它们包括如下主要内容：C：传感器电容；Rp：并联电阻，包括了电极间直流电阻和气隙中介质损耗的等 效电阻（电容器内部的）L：串联电感，各连线端间总电感（外部的）Rs：串联电阻，即引线电阻，接线柱电阻，电极板电
5、阻之和（ 外部与内部）讨论如下：对于交流电路的分析讨论通常以阻抗形式表达，电路告知 我们：电容和电感都是动态电路元件。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,二、测量电路电容传感器的电容值一般十分微小（几皮法至几十皮法），如 此微小的电容值不便直接显示记录，也不便传输。所以须借助于测 量电路将其转换为与之成比例的电压，电流式频率信号，下面介绍 几种典型测量线路： 一交流不平衡电桥：图所示为交流不平衡电桥：条件：Z1电容传感器阻抗Z2、Z3、Z4固定值阻抗E内阻为零的电源电压下面讨论输出端开路的情况下，电桥的 电压灵敏度K（均以复数形式表达）。电桥初始平衡条件为： 则输出:,上一页,下
6、一页,返 回,与书中公式差一符号，对交流电无影响。,当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc；将平衡条件代入得下式：令： 为传感器阻抗相对变化值为桥臂比（同一桥臂内）为桥臂系数则上式改写成：,上一页,下一页,返 回,结论： 在E与 一定时，要使灵敏度尽量高；应满足： （1）桥臂初始阻抗模相等 ,即 ，以使 最大。 （2）桥臂初始阻抗相角尽量大，即 尽量大，进一部提升 值 如果 或 而 时，则 ，即输出与输入同相 位 ，没有滞后； 如果 ， 时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时； 时， 趋于最
7、大值 ，并且 。只有 时，值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有 相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等 或 时，无论为何值， 均为零。即输出电压 与电源电压 同相位。,上一页,下一页,返 回,参照书第52页图3-9 电桥的电压灵敏度曲线,二二极管环形检波电路：,上一页,下一页,返 回,差 动,e,e,环形检波,稳幅放大器使,提供输出,恒压源,恒流源,差动脉冲宽度调制电路 电路如图示，它由A1，A2比 较器，双稳态触发器及电容 充、放电回路组成，工作原 理为： 接通电源：某时刻双稳态触 发器输出为,上一页,下一页,返 回,3-3 电容式传感器的误差分析,第一节所讨论的传感器原理均
8、是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。 一、温度对结构尺寸的影响：由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。通常 其中：Co传感器初始电容；正常测量时电容的变化量；温度变化产生的增量，是温度的函数，即决定了温度误差的大小，讨论之：,上一页,下一页,返 回,上式说明了温度误差与各结构参数及材料的关系，说明温度误差与传感器的零件形状、尺寸、大小及零件材料的线膨胀系数有关 设计时应充分考虑。设计的通常步骤： 1选用温度系数低
9、材料； 2差动方式,上一页,下一页,第三章 电容式传感器返 回,二、电容电场的边缘效应平板电容器两极板间电场是均匀分布的，这是理想情况，实际 上在极板边缘处情况很复杂，有边缘效应，它对传感器的影响相当 并联了个电容，引起传感器灵敏度下降和非线性增加。克服方法主 要有： 增大初始电容，增大面积， 减小间距； 加装等位环，把边缘效应拉 出工作区。,上一页,下一页,返 回,均匀电场,绝缘材料,三寄生与分布电容的影响存在问题： 传感器电容值一般都很小，如果激励电源频率较低，则传感器容抗很大。就要求传感器绝缘电阻很高。影响传感器性能。这样就很容易受外界干扰影响。 极板与周围元件甚至人体间产生电容联系，即
10、寄生电容，对小容值传感器影响很大。通常办法：采用静电屏蔽措施，将传感器电容和引线进行良好 屏蔽与接地。增加初始值等。采用屏蔽电缆同时又产生两个问题： 1屏蔽线本身电容（分布电容、约几百皮法/米）很大，传感器的电容才几十皮法，与传感器电容形成并联，显著降低灵敏度。 2分布电容由于电缆放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定。解决办法：采用电缆驱动技术，使电缆屏蔽层电位跟踪电容极 板电位，要求二者电位的幅值与相位均相同，以消除屏蔽线的分布 电容影响。,上一页,下一页,返 回,线路一：采用1：1放大器双层屏蔽线的内屏蔽层接1：1放大器的输出；1：1放大器的输 入接芯线，即 点对地电位
11、。使屏蔽层与 点同幅同相以消除分 布电容。,上一页,下一页,返 回,运放输入电容与传感器电容并联，会引起很大相对误差。,3-4 电容式传感器的应用,由于采用了诸如上述等技术，成功解决了电容传感器存在的许 多技术问题，使之得到广泛的应用。如精确测量位移、厚度、角度 、振动、力、压力、压差、流量、成分、液位等。 一、电容式差压变送器典型结构见图所示： 分二室结构和一室结构， 其原理一样，下面以二 室结构为例讨论。,上一页,下一页,返 回,特点： 1感压腔充满温度系数小，稳定性高的硅油密封，利用硅油的 不可压缩性和不可流动性将压差传递给膜片； 2为了获得良好的线性度，感压膜片采用张紧式结构； 3变送器输出为标准电流信号，方便直观使用处理方便，常用 二极管环形检波电路测量； 4动态响应时间一般0.2-15S(不适合测动态量)下面重点讨论球平面型变换器的原理.如图所示（图3-20a）:传感器初始电容两个均等为Co;膜片受到压力挠曲变形,变形后两 电容分别为CL和CH,变形后位置与初始位置所形成的假想电容为 CA,利用CA将电容器两电容分别等效如下(参见图3-21),此时:Co相当于CA与CL串联,则 CH相当于CA与Co串联,则 因此:只要求得Co和CA,即可得到差动电容CL和CH,上一页,下一页,返 回,
