第4章 電容式傳感器

第4章電容式傳感器原理及其應(yīng)用電容式傳感器是利用非電信息量改變傳感器的電容量輸出來(lái)進(jìn)行測(cè)量的器件。電容式傳感器具有良好的溫度穩(wěn)定、動(dòng)作能量低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可在惡劣環(huán)境下工作，并可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在位移、壓力、厚度、液位、濕度、振動(dòng)以及成分分析等非電量的測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的提高，電容式傳感器所存在的易受干擾和易受分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服，并開(kāi)發(fā)出了很多新型的電容式傳感器，電容式傳感器有著很好的發(fā)展前景。第4章電容式傳感器原理及其應(yīng)用4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)4.2電容式傳感器的測(cè)量電路4.3電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)改善措施4.4電容式傳感器的應(yīng)用思考與練習(xí)4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)1.工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過(guò)測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。電容式傳感器實(shí)際上是一個(gè)可變參數(shù)的電容器，它的基本工作原理可用圖4-1所示的平板電容器來(lái)說(shuō)明。平板電容器的電容量表達(dá)式為式中ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù);A—兩極板覆蓋的有效面積;d—兩極板間隔的距離。下一頁(yè)返回介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，介質(zhì)中的電場(chǎng)減小與原外加電場(chǎng)（真空中）的比值即為相對(duì)介電常數(shù)。介電常數(shù)是相對(duì)介電常數(shù)與真空中絕對(duì)介電常數(shù)乘積。ε0=8.85*10-12F/M4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)由式(4-1)可知，ε，A，d3個(gè)參數(shù)直接影響著電容量C的大小。保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，改變另外一個(gè)參數(shù)，則電容量就發(fā)生變化。如果變化的參數(shù)與被測(cè)量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，電容量的變化可以直接反映被測(cè)量的變化情況，再通過(guò)測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。因此，電容式傳感器通常可以分為3種類(lèi)型:改變極板面積的變面積式;改變極板距離的變間隙式;改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)2.變面積式電容傳感器變面積式電容式傳感器通常分為線位移型和角位移型兩大類(lèi)。

1)線位移型常用的線位移型電容式傳感器又可分為平面線位移型和柱面線位移型兩種結(jié)構(gòu)，如圖4-2所示。平面線位移型：對(duì)于平板狀結(jié)構(gòu)，在圖4-2(a)中，當(dāng)寬度為b的動(dòng)極板沿箭頭x方向水平移動(dòng)Δx后，兩極板的有效覆蓋面積就會(huì)發(fā)生變化，電容量也會(huì)隨之改變，其值為式中—初始電容值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)式中—初始電容值。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回電容變化與位移變化成線性關(guān)系長(zhǎng)度增加，極距減?。红`敏度增加4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)柱面線位移型：對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，在圖4-2(b)中，當(dāng)動(dòng)極簡(jiǎn)沿箭頭x方向垂直移動(dòng)Δx時(shí)，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為式中—初始電容值。差動(dòng)工作：上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)2)角位移型角位移型是變面積式電容傳感器的派生形式，其派生形式種類(lèi)較多，如圖4-3所示。在圖4-3(a)中，當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，它與定極板之間的有效覆蓋面積就會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了電容量的變化，電容值可表示為式中—兩極板重疊時(shí)的有效覆蓋面積;—初始電容值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)式中—兩極板重疊時(shí)的有效覆蓋面積;—初始電容值?？偨Y(jié)：變面積型電容傳感器的輸入-輸出都是線性的上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

3.變間隙式電容傳感器當(dāng)電容式傳感器的面積和介電常數(shù)固定不變，只改變極板間距離時(shí)，稱(chēng)為變間隙式電容傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-4所示。當(dāng)活動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)的改變而引起移動(dòng)時(shí)，電容量C隨著兩極板間的距離d的變化而變化，當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為:

式中--初始電容值上一頁(yè)下一頁(yè)返回x=0：C=C0-1!!上一頁(yè)下一頁(yè)返回x/d<<1時(shí)，可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)：線性處理（忽略高次項(xiàng)）：非線性誤差：靈敏度（單位位移引起的電容相對(duì)變化）：上一頁(yè)下一頁(yè)返回差動(dòng)工作：x/d<<1時(shí)，可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)：線性處理（忽略高次項(xiàng)）：非線性誤差：靈敏度：差動(dòng)工作：1.靈敏度提高一倍2.非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)因此，這種類(lèi)型傳感器一般用來(lái)對(duì)微小位移量進(jìn)行測(cè)量，正常工作在0.01微米到幾毫米的線位移。同時(shí)，變間隙式電容傳感器要提高靈敏度，應(yīng)減小極板間的初始間距d。但是，當(dāng)d過(guò)小時(shí)，又增加了加工難度，且容易造成電容被擊穿。為了改善這種情況，一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)較高的介質(zhì)。變間隙式電容傳感器的起始電容一般在20一100pF的范圍內(nèi)，極板間距離在25一200μm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。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，會(huì)減小非線性，變間隙式電容傳感器通常采用差動(dòng)形式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

4.變介電常數(shù)式電容傳感器介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容式傳感器電容量的一個(gè)因素。典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如表4-1所示。當(dāng)電容式傳感器的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)引起電容量發(fā)生變化。變介電常數(shù)式電容傳感器就是通過(guò)介質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)，并通過(guò)傳感器的電容量的變化反映出來(lái)。它通?？梢苑譃橹胶推桨迨絻煞N，如圖4-5所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

1)柱式柱式變介電常數(shù)式電容傳感器如圖4-5(a)所示，它可用來(lái)測(cè)量液位的高低。設(shè)容器總高度為H，外簡(jiǎn)內(nèi)徑為D，內(nèi)簡(jiǎn)外徑為d，被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為ε1，當(dāng)液面高度為h時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)電容器的并聯(lián)，若忽略電容的邊緣效應(yīng)，該電容器的總電容為式中一未注入液體時(shí)的初始電容。上一頁(yè)下一頁(yè)返回與變面積區(qū)別：h不變，ε變4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

2)平板式如圖4-5(b)所示。當(dāng)厚度為d2、介電常數(shù)為ε2

的介質(zhì)在電容中移動(dòng)時(shí)，電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)的改變會(huì)使電容量發(fā)生變化，可用來(lái)測(cè)量介質(zhì)的進(jìn)入深度或位移x。初始時(shí)，兩極板間無(wú)ε2介質(zhì)，電容量為式中ε1

—空氣的介電常數(shù);b—極板的寬度;l—極板的長(zhǎng)度;d=d1+d2—兩極板的間隙。上一頁(yè)下一頁(yè)返回當(dāng)ε2介質(zhì)移近電容器x長(zhǎng)度時(shí)：4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)電容變化與位移變化成線性關(guān)系4.1電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)變介電常數(shù)式電容傳感器的兩極板間若存在導(dǎo)電物質(zhì)，還應(yīng)該在極板表面涂上絕緣層，以防止極板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。變介電常數(shù)式電容傳感器除了可以測(cè)量液位和位移之外，還可以用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、物位，并可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的變化而變化來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等參數(shù)。常見(jiàn)的一些變介電常數(shù)式電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4-6所示。上一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器輸出的電容量以及電容變化量都非常微小，這樣微小的電容量目前還不能直接被顯示儀表所顯示，也無(wú)法由記錄儀進(jìn)行記錄，亦不便于傳輸，必須借助測(cè)量電路檢出微小的電容變化量，并轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者頻率信號(hào)，才能進(jìn)行顯示、記錄和傳輸。用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多，常見(jiàn)的電路有:普通交流電橋電路、變壓器電橋電路、雙T形電橋電路、緊藕合電感臂電橋、運(yùn)算放大器式測(cè)量電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路1.普通交流電橋電路普通交流電橋電路如圖4-7所示，Cx為傳感器電容，Z’為等效配接阻抗，C和Z分別為固定電容和固定阻抗。電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電容C變化，電橋失衡，輸出交流電壓信號(hào)。交流放大器將電壓放大，相敏檢波器和低通濾波器檢出直流電壓、濾掉交流分量，最后得到直流電壓信號(hào)，幅值隨著電容的變化而變化。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路電橋的輸出電壓為式中ΔZ—傳感器的電容變化ΔC時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗增量;Zi—交流放大器的輸入阻抗。普通交流電橋電路要求提供幅度和頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求交流放大器的輸入阻抗很高。為了改善電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，一般要求交流電源的頻率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的5一10倍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路2.變壓器電橋電路

圖4-8所示為電容式傳感器接入變壓器電橋電路，它可分為單臂接法和差動(dòng)接法兩種。

1)單臂接法

圖4-8(a)所示為單臂接法的變壓器橋式測(cè)量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個(gè)對(duì)角線上，電容C1,C2,C3和Cx構(gòu)成電橋的4個(gè)臂，其中Cx為電容傳感器。在傳感器未工作時(shí)，交流電橋處于平衡狀態(tài)，則:此時(shí)，電橋輸出電壓。當(dāng)Cx改變時(shí)，，電橋有輸出電壓，從而可測(cè)得電容的變化值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路

2)差動(dòng)接法變壓器電橋電路一般采用差動(dòng)接法，如圖4-8(b)所示。C1和C2以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)橋臂為次級(jí)線圈。在交流電路中，C1和C2的阻抗分別為則有所以，電橋的空載輸出電壓為上一頁(yè)下一頁(yè)返回將上式帶入后極板在中間位置時(shí)動(dòng)片上移時(shí)兩電容分別變化為4.2電容式傳感器的測(cè)量電路輸出電壓與位移變化成理想線性關(guān)系4.2電容式傳感器的測(cè)量電路

3.雙T形電橋電路雙T形電橋電路如圖4-9(a)所示，高頻電源u提供幅值為U的方波。圖中VD1和VD2為兩個(gè)特性完全相同的理想二極管，R1和R2為固定電阻，C1,C2為差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容，對(duì)于單電容工作的情況，可以使其中一個(gè)為固定電容，另一個(gè)為傳感器電容，RL

為負(fù)載電阻。當(dāng)電源電壓u處于正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，等效電路如圖4-9(b)所示。此時(shí)，C1被快速充電至電壓U，電源U經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載電阻RL供電。如果電容C2在初始時(shí)已充電，則C2經(jīng)電阻R2和RL放電，放電電流為I2,所以流經(jīng)RL的電流為I1和I2的和。當(dāng)電源電壓u處于負(fù)半周時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，等效電路如圖4-9(c)所示。此時(shí)，C2被快速充電至電壓U，電源U經(jīng)R2以電流I‘2向負(fù)載電阻RL供電。而電容C1經(jīng)電阻R1和RL放電，放電電流為I'1,所以流經(jīng)RL的電流I‘L為I‘1和I‘2的和。由于VD1和VD2特性相同，R1=R2=R，且在初始狀態(tài)時(shí)C1=C2，則在電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)負(fù)載RL的電流IL與I‘L的平均值大小相等，方向相反，即平均電流為零，在RL上無(wú)信號(hào)輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回參考flash：雙T型電路.swf4.2電容式傳感器的測(cè)量電路4.運(yùn)算放大器式測(cè)量電路運(yùn)算放大器式測(cè)量電路的原理圖如圖4-10所示。電容式傳感器跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端與輸出端之間。由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗很高，因此可認(rèn)為是一個(gè)理想運(yùn)算放大器。則輸出電壓u。為式中Co—為固定電容;Cx—為傳感器的電容;ui—為交流電源電壓。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題，但要求運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)和輸入阻抗都足夠大。理想運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，且輸入阻抗。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容Co，值穩(wěn)定。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路5.調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器的電容與電感元件構(gòu)成振蕩器的諧振回路。其測(cè)量電路原理框圖如圖4-11所示。當(dāng)電容工作時(shí)，電容變化導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過(guò)鑒頻電路把頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后輸出，即可進(jìn)行顯示和記錄，這種方法稱(chēng)為調(diào)頻法。傳感器未工作時(shí)，振蕩頻率為式中L---振蕩回路的電感;C---諧振回路的總電容;Co—傳感器電容的初始值;C1—振蕩回路的固有電容值;Cc—傳感器引線的分布電容。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路傳感器未工作時(shí)，振蕩頻率為C0變化ΔC時(shí)，振蕩頻率為用調(diào)頻電路作為電容式傳感器的測(cè)量電路具有下列特點(diǎn)。

(1)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

(2)靈敏度高，可以測(cè)量0.01um級(jí)的位移變化量。

(3)能獲得高電平的直流信號(hào)，可達(dá)伏特?cái)?shù)量級(jí)。

(4)輸出為頻率信號(hào)，易于用數(shù)字式儀器測(cè)量，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路6.差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路如圖4-12所示，它是利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量的變化而變化，再通過(guò)低通濾波器得到相應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路若接通電源后雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端(A點(diǎn))為高電平，端(B點(diǎn))為低電平，即UA=U,UB=0，UA通過(guò)R1對(duì)C1充電，時(shí)間常數(shù)為

τ1=R1C1,C點(diǎn)電位升高。當(dāng)C點(diǎn)電位上升到Uc≥Ur，比較器IC1翻轉(zhuǎn)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器跟著翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)榈碗娖剑娙軨1經(jīng)二極管VD1迅速放電至零(UC=0)，此時(shí)，端為高電平，即UB=U,UB通過(guò)R2對(duì)C2充電，時(shí)間常數(shù)為τ2=R2C2,D點(diǎn)電位升高。當(dāng)D點(diǎn)電位上升到UD≥Ur時(shí)，比較器IC2翻轉(zhuǎn)，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，端又變?yōu)榈碗娖?，Q端恢復(fù)高電平，電容C2經(jīng)二極管VD2迅速放電至零(UD=0)。周而復(fù)始重復(fù)上述過(guò)程，在A,B兩點(diǎn)分別輸出寬度受C1,C2調(diào)制的矩形脈沖，電路中各點(diǎn)電壓波形如圖4-13所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2電容式傳感器的測(cè)量電路當(dāng)，時(shí)，由于，此時(shí)，UA和UB脈沖寬度相等，UAB為對(duì)稱(chēng)方波，所以低通濾波器輸出電壓的平均值為零，即U0=0。測(cè)量時(shí)，C1,C2發(fā)生變化，導(dǎo)致

，由于是差動(dòng)形式，不妨設(shè)

則

此時(shí)，UA和UB脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期(T1+T2)時(shí)間內(nèi)其電壓平均值不為零，低通濾波器有輸出電壓。上一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施4.3.1電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

1.電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

(1)溫度穩(wěn)定性好:電容式傳感器常用空氣等氣體作為絕緣介質(zhì)，介質(zhì)本身的發(fā)熱量非常小，可忽略不計(jì)。傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，因此，只需要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性進(jìn)行考慮，來(lái)合理選擇材料和幾何尺寸。

(2)阻抗高、功率小，需要輸入的動(dòng)作能量低:電容式傳感器由于帶電極板間的靜電吸引力極小，因此所需要的輸入能量也極小，特別適宜用來(lái)解決低能量輸入的測(cè)量問(wèn)題。可測(cè)量極低的壓力和力，很小的速度、加速度，并且靈敏度和分辨力都很高。下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施

(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好:電容式傳感器由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng):電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造;能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施2.電容式傳感器的缺點(diǎn)

(1)輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差:電容的容抗大，要求傳感器絕緣部分的電阻值極高(幾十兆歐以上)，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此要注意溫度、濕度、清潔度等環(huán)境對(duì)絕緣材料絕緣性能的影響。(2)輸出特性為非線性:雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才成線性，否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性變?yōu)榉蔷€性。

(3)寄生電容影響大:電容式傳感器的初始電容很小，而其引線電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。例如，將信號(hào)處理電路安裝在非常靠近極板的地方可以削弱泄露電容的影響。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施4.3.2電容式傳感器的設(shè)計(jì)改善措施降低低邊緣效應(yīng)的影響保證絕緣性能降低寄生電容的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施1)消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅能使電容式傳感器的靈敏度降低，而且在測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，應(yīng)盡量減小或消除邊緣效應(yīng)。適當(dāng)減小電容式傳感器的極板間距，可以減小邊緣效應(yīng)的影響，但電容易被擊穿且測(cè)量范圍受到限制。一方面，可采取將電極做得很薄，使之遠(yuǎn)小于極板間距的措施來(lái)減小邊緣效應(yīng)的影響。另一方面，可在結(jié)構(gòu)上增加等位保護(hù)環(huán)的方法來(lái)消除邊緣效應(yīng)，如圖4-14所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施2)保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(1)溫度、濕度等環(huán)境的變化是影響傳感器中絕緣材料性能的主要因素。溫度的變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸、相互位置、阻值及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差。

(2)傳感器的電極表面不便清洗，應(yīng)加以密封，可防塵、防潮。還可在電極表面鍍以極薄的惰性金屬層，起保護(hù)作用，也可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可以減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施

(3)盡量采用空氣、云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)和幾乎為零的電介質(zhì)作為電容式傳感器的電介質(zhì)。

(4)傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。殼體的剛性要好，以免安裝時(shí)變形。

(5)傳感器電極的支架要有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的性能。應(yīng)選用溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好，并具有高絕緣性能的材料，例如用石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等材料做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施

3)減小或消除寄生電容的影響寄生電容可能比傳感器的電容大幾倍甚至幾十倍，影響了傳感器的靈敏度和輸出特性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒(méi)傳感器的有用信號(hào)，使傳感器無(wú)法正常工作。因此，減小或消除寄生電容的影響是設(shè)計(jì)電容傳感器的關(guān)鍵。通?？刹捎萌缦路椒▉?lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

(1)增加電容初始值。增加電容初始值可以減小寄生電容的影響?？刹捎脺p小電容式傳感器極板之間的距離，增大有效覆蓋面積來(lái)增加初始電容值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施

(2)采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)又叫雙層屏蔽等位傳輸技術(shù)，它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。如圖4-15所示，在電容傳感器與測(cè)量電路之間的引線采用雙層屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過(guò)增益為1的驅(qū)動(dòng)放大器成為等電位，從而消除了芯線對(duì)內(nèi)屏蔽層的容性漏電，克服了寄生電容的影響，而內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。因此，驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高，具有容性負(fù)載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難點(diǎn)在于要在很寬的頻帶上實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸入輸出的相移為零。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱(chēng)為“驅(qū)動(dòng)電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3電容式傳感器的特點(diǎn)

及設(shè)計(jì)改善措施

(3)采用運(yùn)算放大器法。運(yùn)算放大器法的原理如圖4-16所示。它利用運(yùn)算放大器的虛地來(lái)減小引線電纜寄生電容Cp。電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地乏點(diǎn)，電纜的屏蔽層接儀器地，這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1+A),A為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，因而大大減小了電纜電容的影響。上一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用非常廣泛，它可用來(lái)測(cè)量液位和物位、壓力、加速度、直線位移、角度和角位移、厚度、振動(dòng)和振幅、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度及成分等參數(shù)。變間隙式電容傳感器適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.01微米至數(shù)百微米之間，精度可達(dá)0.01um，分辨率可達(dá)0.001um。變面積式電容傳感器能測(cè)量零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間的位移。電容式角位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為0.1''至幾十度，分辨率約0.1''，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級(jí)，廣泛用于精密測(cè)角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測(cè)振幅傳感器可測(cè)峰值為0-0.5um,頻率為10Hz一2kHz的振動(dòng)信號(hào)，其靈敏度高于0.01um，非線性誤差小于0.05um。下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用

1.電容式壓力傳感器

圖4-17所示是典型的差動(dòng)電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。電容式壓力傳感器常用來(lái)測(cè)量氣體或液體的壓力。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用

2.電容式加速度傳感器

圖4-19所示為差動(dòng)電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。它主要由兩個(gè)固定極板(與外殼絕緣)和一個(gè)質(zhì)量塊組成，中間的質(zhì)量塊采用彈簧片來(lái)進(jìn)行支撐，它的兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器殼體在垂直方向上有加速度時(shí)，質(zhì)量塊由于慣性要保持相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生位移，位移的大小正比于被測(cè)加速度。使兩個(gè)差動(dòng)電容的間隙都發(fā)生變化，從而使C1和C2產(chǎn)生大小相等，符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快且量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用3.電容式位移傳感器

圖4-20所示為一種圓簡(jiǎn)式變面積型電容式位移傳感器。它采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，其固定電極與外殼絕緣，其活動(dòng)電極與測(cè)桿相連并彼此絕緣。測(cè)量時(shí)，動(dòng)電極隨被測(cè)物發(fā)生軸向移動(dòng)，從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開(kāi)槽彈簧片為傳感器的導(dǎo)向與支撐，無(wú)機(jī)械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器還可以用于測(cè)量振動(dòng)位移，以及測(cè)量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動(dòng)態(tài)偏擺等，屬于動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，如圖4-21所示。圖4-21(a)中電容傳感器和被測(cè)物體分別構(gòu)成電容的兩個(gè)電極，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生振動(dòng)時(shí)，電容兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而改變電容的大小，再經(jīng)測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量。圖4-21(b)所示電容傳感器中，在旋轉(zhuǎn)軸外側(cè)相互垂直的位置放置兩個(gè)電容極板，作為定極板，被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸作為電容傳感器的動(dòng)極板。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)因軸承間隙等原因產(chǎn)生徑向位移和擺動(dòng)時(shí)，定極板和動(dòng)極板的距離發(fā)生變化，電容量相應(yīng)發(fā)生變化，即可測(cè)得軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心的偏擺。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用4.電容式液位傳感器電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。測(cè)定電極安裝在容器的頂部，容器壁和測(cè)定電極之間構(gòu)成了一個(gè)電容器。當(dāng)容器內(nèi)的被測(cè)物有一定液位高度時(shí)，由于被測(cè)物介電常數(shù)的影響，傳感器的電容發(fā)生變化，檢測(cè)出電容的變化量，可測(cè)出液位的高度。傳感器的電容量可表示為上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4電容式傳感器的應(yīng)用由式(4-13)可知，電容器的電容量與液位高度成線性關(guān)系，且兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大、容器的內(nèi)徑D與電極的直徑d相差越小，傳感器的電容變化量越大，靈敏度越高。由于被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)不一樣，不同介質(zhì)的導(dǎo)電性能不相同，電容式液位傳感器在不導(dǎo)電液體和導(dǎo)電液體的液位測(cè)量過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)也會(huì)有差別，如圖4-23所示。因此，電容式液位傳感器被廣泛使用于工業(yè)測(cè)量中。幾類(lèi)常見(jiàn)的電容式液位傳感器如圖4-24所示。下圖為電容式傳感器在油箱液位檢測(cè)中的