第三章 電容式傳感器

第三章電容式傳感器1電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨率、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得它存在的分布電容、非線性等缺點(diǎn)得到有效克服，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。2第一節(jié)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理

兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++dAA：兩平行板所覆蓋的面積；d：兩平行板之間的距離。ε——極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr

——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣介質(zhì)，εr

≈1。3電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。在實(shí)際使用時(shí)，電容式傳感器常以改變平行板間距d來(lái)進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)檫@樣獲得的測(cè)量靈敏度高于改變其他參數(shù)的電容傳感器的靈敏度。改變平行板間距d的傳感器可以測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而改變面積A的傳感器只適用于測(cè)量厘米數(shù)量級(jí)的位移。4二、變極距型電容式傳感器圖:電容量與極板間距離的關(guān)系傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是如圖所示的雙曲線關(guān)系。56動(dòng)極板上移使d0

減少Δd：設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距為d0初始電容量為：電容相對(duì)變化量為：7略去高次(非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系靈敏度S：電容變化與引起該變化的機(jī)械位移變化之比8如果考慮線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則相對(duì)非線性誤差ef為9變極距型電容傳感器只有在Δd<<d0時(shí)(小測(cè)量范圍)，才有近似的線性輸出；靈敏度S與初始極距d0的平方成反比，故可用減少d0的辦法來(lái)提高靈敏度。一般變極距型電容式傳感器的起始電容在20～30pF之間，極板間距離在25～200μm的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。10在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC較大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。

為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。11εg

為云母的相對(duì)介電系數(shù)，dg為云母片的厚度，d0為空氣隙的厚度。dgd0云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。有了云母片，極板間起始距離可大大減小,同時(shí)傳感器的輸出特性的線性度得到改善。121314動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2差動(dòng)電容式傳感器15動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，1617提高一倍減小略去高次項(xiàng)：電容量的相對(duì)變化為：非線性誤差為：

靈敏度：18差動(dòng)式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。19三、變極板面積型電容式傳感器被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而改變電容量。1、電容式位移傳感器20當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板延長(zhǎng)度a方向平移Δx時(shí)，可得：式中

為初始電容。它的靈敏度為：電容相對(duì)變化量為其電容量C與水平位移Δx是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移。212、電容式角位移傳感器當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)θ=0時(shí)，則當(dāng)θ≠0時(shí)，則可以看出，傳感器的電容量C與角位移θ呈線性關(guān)系。22下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。三、變介質(zhì)型電容式傳感器設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h，變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，則此時(shí)變換器電容值為：23式中：ε——空氣介電常數(shù)；C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：可見(jiàn)此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。24第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)量電路一、脈沖寬度調(diào)制電路C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；IC1、IC2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓；FF為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,U1為觸發(fā)器輸出的高電位；IC3是濾波器。25當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，端為低電平，則觸發(fā)器通過(guò)R1對(duì)C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC1產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平，端為高電平；26當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC2輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過(guò)程。此時(shí)，電容C1通過(guò)二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；27電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時(shí)，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。28根據(jù)電路知識(shí)可知：

當(dāng)C1＞C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖所示UA、UB—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—C1和C2充電至Ur的所需時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。29C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為：Q、兩端間的平均電壓（經(jīng)一個(gè)低通濾波器）為：

說(shuō)明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。30對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器：對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來(lái)說(shuō)，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：31差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。32二、運(yùn)算放大器式電路Cx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運(yùn)算放大器輸入阻抗很高、增益很大時(shí)，可認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零，有：UiCxC0-AIiIxUSC33如果傳感器是一只平行板電容，則：得：可見(jiàn)運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的板間距離d成正比。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。上式是在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。34第三節(jié)電容式傳感器應(yīng)用舉例

電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測(cè)量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測(cè)量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。35例

電容式稱重傳感器稱重時(shí)，彈性元件受力變形，使動(dòng)極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。定極板絕緣材料動(dòng)極板極板支架彈性體36電容式稱重傳感器F在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱重時(shí)，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個(gè)孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測(cè)量誤差大大減?。ㄕ`差平均效應(yīng)）37例

電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用38電容式料位傳感器Dd檢測(cè)電路測(cè)定電極儲(chǔ)罐ε0ε1h例

電容式料位和液位傳感器儲(chǔ)罐的罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)電容器。39上圖中電容隨料位高度h變化的關(guān)系為：式中

k——比例常數(shù)；

D——儲(chǔ)罐的內(nèi)徑；

d——測(cè)定電極的直徑；

h——被測(cè)物料的高度；

ε0——空氣的介電常數(shù)；

ε1——被測(cè)物料的介電常數(shù)；可以看出，兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差別越大、D與d相差越小，傳感器的靈敏度越高。40例：濕度測(cè)量濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。41電容式鍵盤常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件。這種開關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小。42電容傳聲器目前使用的麥克風(fēng)大多是動(dòng)