傳感器與檢測技術(shù) 06 電容式傳感器

1.掌握傳感器工作原理及特性2.掌握測量電路3.了解傳感器的應(yīng)用第六章電容式傳感器傳感器與檢測技術(shù)返回課程索引6.1工作原理及特性

工作原理:將被測量轉(zhuǎn)化為電容量變化。忽略邊緣效應(yīng),兩平行極板組成的電容器，其電容量為:d、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。第六章電容式傳感器ε0:真空中的介電常數(shù)εr：介質(zhì)的相對介電常數(shù)1、變極距型電容傳感器式6.1電容式傳感器工作原理保持兩極板遮蓋面積A和極板間介質(zhì)不變，而使極距d隨被測量改變。當(dāng)動極板靠近定極板移動Δd后，其電容量為：由此可見，電容量C與Δd不是線性關(guān)系。6.1電容式傳感器工作原理C與d的關(guān)系可用如圖曲線描述：可以寫成：6.1電容式傳感器工作原理當(dāng)極距變化很小時，可利用泰勒展開式進(jìn)行線性化經(jīng)線性化后靈敏度電容變化量6.1電容式傳感器工作原理靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限制。一般d0＝0.1～1mm左右。電容量C與極距d呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化范圍d/d00.01～0.1。提高變極距型電容式傳感器的靈敏度與減小非線性誤差是相矛盾的此類電容傳感器僅適于微小位移的測量（0.01m～數(shù)百微米）；非接觸測量工作特性：減小極距d可使電容量加大，使靈敏度提高，但d過小容易引起電容擊穿。在極板間放置一層固體介質(zhì)來改善電容式傳感器的特性，如圖所示。具有部分固體介質(zhì)的變極距型電容式傳感器的電容C可等效為兩電容串聯(lián)，可寫成6.1電容式傳感器工作原理當(dāng)動極板向下移動使空氣隙的厚度d1減小△d時，電容式傳感器的電容C將增大△C，可導(dǎo)出電容式傳感器的電容相對變化為式中可寫成級數(shù)形式6.1電容式傳感器工作原理N1的大小對傳感器的靈敏度和傳感器的非線性有影響，因此既是靈敏度因子，又是非線性因子。N1的大小取決于固體介質(zhì)與空氣隙的厚度比d2／d1和固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr2。6.1電容式傳感器工作原理固體介質(zhì)與空氣隙的厚度比d2／d1越大，N1越大，靈敏度越高，同時非線性也越大。在相同的d2／d1值下，固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr2越大，N1越大。6.1電容式傳感器工作原理變極距變化型電容傳感器常見結(jié)構(gòu)：被測物體：

為提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對測量精度的影響，常采用差動型電容式傳感器。

6.1電容式傳感器工作原理6.1電容式傳感器工作原理當(dāng)動極板移動距離Δd后，一邊的極距變?yōu)閐1＝d0－Δd，另一邊的極距則變?yōu)閐2＝d0＋Δd。寫成級數(shù)形式，有6.1電容式傳感器工作原理將這兩個差動電容接入相應(yīng)的測量電路，測量電路的輸出與兩個差動電容的總變化量ΔC＝C1-C2

成正比。靈敏度：6.1電容式傳感器工作原理差動變極距型電容式傳感器的靈敏度差動變極距型電容式傳感器的非線性誤差差動變極距型電容式傳感器與單端結(jié)構(gòu)相比，非線性誤差可減小一個數(shù)量級，同時，靈敏度可提高約一倍。極距d和極板間介質(zhì)不變，兩極板遮蓋面積A隨被測量改變。常用的有角位移型和線位移型兩種。6.1電容式傳感器工作原理2、變面積型電容傳感器式極板面積A＝ab靈敏度分別為：6.1電容式傳感器工作原理變面積型電容式傳感器具有線性特性，靈敏度為常數(shù)；傳感器的靈敏度與起始電容量C0有關(guān)，增大起始電容量C0可提高傳感器的靈敏度。差動結(jié)構(gòu)的變面積型電容式傳感器，其靈敏度比單端結(jié)構(gòu)的靈敏度提高一倍。

平板型傳感器的可動極板稍有極距方向移動會影響測量精度，變面積型電容式傳感器常做成圓柱形。6.1電容式傳感器工作原理1、定極板2、動極板當(dāng)覆蓋長度x變化時，電容量變化，其靈敏度為

圓筒形電容器的電容為:

面積變化型的優(yōu)點(diǎn)：輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。

6.1電容式傳感器工作原理3、介電常數(shù)變化型6.1電容式傳感器工作原理1）變介質(zhì)截面積型圖中，厚度為d2

的介質(zhì)（r

為其介電常數(shù)）在電容器中左右運(yùn)動，整個電容器相當(dāng)于CA和CB兩個電容并聯(lián)。初始電容值為：極板面積A＝bl存在介質(zhì)時，C=CA+CB（并聯(lián)）其中：d1=d-d2從而：靈敏度6.1電容式傳感器工作原理6.1電容式傳感器工作原理2）變介電常數(shù)型電容式傳感器如圖所示，在兩極板間有一層介質(zhì)，設(shè)兩極板的極距為a，極板面積為S，介質(zhì)層的厚度為d，介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr?？汕蟮闷鹗嫉碾娙萘繛?.1電容式傳感器工作原理當(dāng)介質(zhì)的相對介電常數(shù)變化Δεr時，可導(dǎo)出電容量的相對變化為在N3（△εr／εr）<<1時，可寫成級數(shù)形式可見，變介電常數(shù)型電容式傳感器具有非線性。

介電常數(shù)變化型常用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。

6.1電容式傳感器工作原理6.1電容式傳感器工作原理4、等效電路電容式傳感器的等效電路有一諧振頻率，通常為幾十兆赫。在諧振或接近諧振時，電容式傳感器無法正常工作。通常電容式傳感器的供電電源頻率都低于諧振頻率f0

，約為（1／3～1／2）f0。等效阻抗為6.1電容式傳感器工作原理因RP較大，簡化后得有效電容關(guān)系式推導(dǎo)得出電容的實(shí)際變化量為電容式傳感器的電容實(shí)際相對變化量與串聯(lián)電感有關(guān)，串聯(lián)電感的改變對電容實(shí)際相對變化量有影響。電容式傳感器在實(shí)際應(yīng)用時，必須在與標(biāo)定時同樣的條件下進(jìn)行，包括外部引線類型及長度等條件必須與標(biāo)定時一致，否則將會引入測量誤差。目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路、差動脈沖寬度調(diào)制電路等。

6.2測量電路

1、變壓器電橋電路（調(diào)幅電路）第六章電容式傳感器變壓器電橋的特性輸出電壓6.2測量電路極板處于中間位置時當(dāng)被測量發(fā)生變化時，Z1≠Z2，輸出電壓UO≠0。設(shè)中間極板上移，則Z1＝Z0＋△Z，Z2＝Z0－△Z，則輸出電壓UO為6.2測量電路其中：代入得：輸出電壓的大小和極性反映了被測量的性質(zhì)（如位移的大小及方向）,且與中間極板位移呈線性關(guān)系。當(dāng)極板偏離中間位置，向上或向下移動同樣大小的位移時，可獲得大小相等、方向相反（即相位差180°）的輸出電壓。交流電橋的輸出電壓為交流電壓，若采用一般的交流電壓表測量，僅能反映極板位移的大小，不能反映極板位移的方向。在實(shí)際測量中，往往要求測量儀表不僅能反映極板位移的大小，而且還能反映極板位移的方向，這時需采用相敏整流（檢波）電路。6.2測量電路圖示是一種帶相敏整流的電橋電路的原理。電橋由差動變極距電容傳感器的兩個電容及平衡阻抗Z3、Z4組成，取Z3＝Z4＝Z，Z1和Z2為差動電容式傳感器的兩個電容的阻抗。當(dāng)極板處于中間位置時，輸出電壓UO為零；當(dāng)極板偏離中間位置上移時，UO為正；當(dāng)極板偏離中間位置下移時，UO為負(fù)。因此，帶相敏整流的電橋電路，其輸出電壓不僅能反映極板位移的大小，還能反映極板位移的方向。6.2測量電路6.2測量電路起始時，振蕩器的振蕩頻率為固定頻率當(dāng)被測量改變時，△C≠0，振蕩器的振蕩頻率也就有一個相應(yīng)的變化量△f，此時振蕩頻率為2、調(diào)頻電路調(diào)頻測量電路的特點(diǎn)是：靈敏度高，可測量0.01μm甚至更小的位移變化量；可以輸出頻率信號，易于和數(shù)字式儀表及計算機(jī)連接；輸出有較大的非線性，且受溫度和連接電纜電容的影響較大，這給傳感器和測量電路的設(shè)計帶來一定的麻煩。6.2測量電路3、諧振電路

電容傳感器的電容Cx作為諧振回路(L2、C2、Cx)調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。

6.2測量電路6.2測量電路4、運(yùn)算放大器電路

輸出電壓與間隙成線性關(guān)系。

輸出電壓與極距成線性關(guān)系，這就從原理上解決了使用單個變極距型電容式傳感器輸出特性的非線性問題。對于變面積型電容式傳感器，可將傳感器電容Cx和固定電容C0在電路中的位置對調(diào)，此時輸出電壓與極板面積成線性關(guān)系。6.2測量電路·選取C0等于傳感器初始電容值Cx0，則電路輸出電壓的初始值為零?！す潭娙軨0在測量過程中，還起到了參比測量的作用。因而當(dāng)C0和Cx結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料完全相同時，其環(huán)境溫度對測量的影響可以得到補(bǔ)償上圖所示電路輸出電壓的初始值不為零，為了實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移，可采用如圖所示電路。5、差動脈沖寬度調(diào)制電路

直流輸出電壓與輸入(間隙變化)成線性關(guān)系。

6.2測量電路在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端A、B各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。當(dāng)C1＝C2時由于C1和C2的充電時間常數(shù)相同，A、B間的電壓uAB為等寬矩形方波。電路上各點(diǎn)電壓波形如圖所示。6.2測量電路6.2測量電路當(dāng)C1≠C2（如C1＞C2）時則C1和C2充電時間常數(shù)不同，A、B間的電壓uAB為不等寬矩形方波。電路上各點(diǎn)電壓波形如圖所示。6.2測量電路電容C1和C2的充電時間T1、T2分別為一周期內(nèi)（T=T1+T2)輸出直流電壓UO為考慮到充電電阻R1＝R2＝R，則得輸出直流電壓UO正比于電容C1和C2的差值。6.2測量電路對于差動變極距型電容式傳感器式中，d1、d2分別為差動電容C1、C2的極距。設(shè)d1＝d0－Δd，d2＝d0＋Δd，則有

對于差動變面積型電容式傳感器差動脈沖調(diào)寬電路有如下特點(diǎn)：不論是變極距型電容式傳感器或變面積型電容式傳感器，其輸出都與輸入變化量成線性關(guān)系。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號一般為100kHz～1MHz的矩形波，不需要特殊電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出。只需要一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻交流電源易于做到。調(diào)寬頻率的變化對輸出無影響。由于低通濾波器的作用，對輸出矩形波純度要求不高6.2測量電路第六章電容式傳感器6.3電容式傳感器的設(shè)計原則1、影響電容式傳感器的因素1）環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生溫度誤差主要原因有兩個。由于構(gòu)成傳感器內(nèi)各零部件的材料不同，因此有不同的溫度膨脹系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，傳感器各零部件的幾何形狀、尺寸和相互間幾何位置發(fā)生變化，從而引起電容量發(fā)生變化，造成溫度誤差。環(huán)境溫度變化使介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量的變化，帶來溫度誤差。6.3電容式傳感器的設(shè)計2）絕緣零件絕緣性能的影響由于電容式傳感器具有高內(nèi)阻抗，絕緣問題。兩電極間的絕緣電阻將被看作是電容式傳感器的漏電阻。漏電阻將與傳感器電容構(gòu)成一復(fù)阻抗而加入到測量電路中而影響輸出。當(dāng)絕緣材料的絕緣性能不夠好時，絕緣電阻會隨著環(huán)境溫度和濕度而變化，致使電容式傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零位漂移。6.3電容式傳感器的設(shè)計3）邊緣效應(yīng)的影響在電容器極板邊緣的電場是不均勻的。邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個附加電容，引起了傳感器的靈敏度下降和非線性增加。4）寄生與分布電容的影響電容式傳感器除有極板間的電容外，極板與周圍物體（包括各種元件甚至人體）之間也會產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種附加的電容聯(lián)系稱為寄生電容。寄生電容改變了電容式傳感器的電容量，傳感器本身電容量很小，寄生電容極不穩(wěn)定，導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，對傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。6.3電容式傳感器的設(shè)計2、電容傳感器的設(shè)計要點(diǎn)1）保證絕緣材料的絕緣性能必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

采用高的電源頻率（如幾kHz～幾MHz），以降低電容式傳感器的內(nèi)阻抗，也相應(yīng)地降低了對絕緣電阻的要求。2）消除和減小邊緣效應(yīng)

應(yīng)增大傳感器的初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間距。6.3電容式傳感器的設(shè)計3）消除和減小寄生電容的影響采用“雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)”，又稱之為“驅(qū)動電纜技術(shù)”。有效辦法是整體屏蔽法，將電容式傳感器及所采用的測量電路、連接電纜、供電電源等整體用同一個屏蔽殼屏蔽起來，并正確選取接地點(diǎn)。

6.4電容式傳感器的應(yīng)用

電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

測量范圍大;靈敏度高;(3)動態(tài)特性好，適合測量動態(tài)參數(shù)。(4)能量損耗小。(5)結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性好，非接觸式測量（高溫、輻射等）。