第4章電容式傳感器

傳感與檢測新鄉(xiāng)學(xué)院機電工程學(xué)院第4章

電容式傳感器

概述電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器示例概述各種電容式傳感器示例飛機油量檢測炸彈延時起爆電容式加速度傳感器概述各種電容式傳感器示例測量管道液位高度傳感單元電子單元硅微電容式傳感器硅微電容傳感器器概述

電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一。

利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器。它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。概述與電阻式、電感式傳感器相比的優(yōu)點：1.測量范圍大：相對變化量可達100%。2.靈敏度高：可達10-7。3.動態(tài)響應(yīng)時間短：可動部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動態(tài)信號的測量。4.機械損失?。弘姌O間引力小，無摩擦，熱效應(yīng)小，精度高。5.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強：能承受大的溫度變化和強輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。概述與電阻式、電感式傳感器相比的不足之處：1.寄生電容影響大：導(dǎo)線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當(dāng)用變間隙原理進行測量時，具有非線性輸出特性。應(yīng)用：

壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。電容式傳感器4.1電容式傳感器的工作原理4.2電容式傳感器的測量電路4.3電容式傳感器的誤差分析4.4電容式傳感器的應(yīng)用示例一、工作原理d

兩個平行極板組成一個電容器，若忽略邊緣效應(yīng)，它的電容量C應(yīng)為：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)的相對介電常數(shù).

對于空氣介質(zhì)，εr

≈1。S——極板間相互覆蓋面積（m2）；d——極板間距離（m）；一、工作原理電容式傳感器變極板間距型變面積型變介電常數(shù)型等式右邊的三個參數(shù)改變?nèi)魏我粋€都可以使電容值C發(fā)生變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。1.變面積型電容傳感器θ定片動片（a）角位移式因此，與角位移呈線性關(guān)系。1.變面積型電容傳感器

當(dāng)其中一個極板發(fā)生x位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積S

，電容量C同樣隨之變化。b）直線位移式因此，與位移呈線性關(guān)系。1.變面積型電容傳感器b）直線位移式θ定片動片（a）角位移式

變面積型電容傳感器的電容值都與引起遮蓋面積變化的因素呈線性關(guān)系，且靈敏度系數(shù)K與初始電容C0呈正比。1.變面積型電容傳感器這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。

初始電容C0為：當(dāng)內(nèi)筒上移x時，內(nèi)外筒間的電容Cx為：D1D0Lx與x成線性關(guān)系。變介質(zhì)型傳感器2.變介質(zhì)型電容傳感器

變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。2.變介質(zhì)型電容傳感器2.變介質(zhì)型電容傳感器

右圖相當(dāng)于兩個電容器的并聯(lián)，1、2為筒狀極板。上面的電容器以ε2為介質(zhì)，下面的電容器以ε1為介質(zhì)。2.變介質(zhì)型電容傳感器3.1基本工作原理其中,A為常數(shù)，K為靈敏度系數(shù)電容C與液位h1之間呈線性關(guān)系。例

某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr

＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)。解：2.變介質(zhì)型電容傳感器

右圖相當(dāng)于兩個電容串聯(lián)，這兩個電容只有面積S相同：電容C與極板距離d或介電常數(shù)之間都不是線性關(guān)系。當(dāng)d0、d1不變時，可用來測量介質(zhì)的介電常數(shù)ε1；即介電常數(shù)測量儀。當(dāng)ε0、ε1不變時，可用來測量d1距離，即作為測厚儀。3.變極板間距型電容傳感器初始電容

當(dāng)減小時電容C增加

dΔdC0d0dCΔC03.變極板間距型電容傳感器當(dāng)時，用泰勒級數(shù)展開電容相對變化3.變極板間距型電容傳感器

即當(dāng)

(一般取0.02-0.1)時，電容的相對變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線性關(guān)系。

傳感器靈敏度

非線性誤差3.變極板間距型電容傳感器

傳感器靈敏度

非線性誤差

d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0減小又使非線性誤差δ增大。4.差動式電容傳感器為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。4.差動式電容傳感器上下兩部分的初始電容：上移后：展開：4.差動式電容傳感器差動式電容傳感器的輸出為：非線性誤差為：略去高階無窮小：4.差動式電容傳感器結(jié)論：

差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍

非線性誤差可以減小一個數(shù)量級。

變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)例已知：平板電容傳感器極板間介質(zhì)為空氣，極板面積S==（）cm2，間隙d0=0.1mm。求電容初始電容值；若由預(yù)裝配關(guān)系，兩極板間不平行，一側(cè)間隙為d0，而另一側(cè)間隙為d0+b（b=0.01mm）。求此時傳感器電容值。解：初始電容值如圖所示，兩極板不平行時電容值

4.2電容式傳感器的測量電路

電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。

由于作為傳感器在功能和結(jié)構(gòu)上的要求，電容式傳感器不是理想電容。電容式傳感器中除了有電容之外，還存在著串、并聯(lián)電阻，以及串聯(lián)電感等。一、等效電路Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。電容式傳感器的等效電路一、等效電路

工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。電容式傳感器的等效阻抗為：激勵電源角頻率一、等效電路RS很小，RP很大,均可忽略。電路的等效容抗為：相對變化量為：激勵電源頻率電路諧振頻率一、等效電路電容的相對變化量為：

電容傳感器的等效電容與激勵電源的頻率有關(guān)，還與電路自身的諧振頻率有關(guān)，而影響諧振頻率的重要因素是電感L，它與電容傳感器的連接導(dǎo)線等因素有關(guān)，所以電容傳感器在實際使用時必須保持與標(biāo)定時的狀態(tài)是完全一致的。二、測量電路

電容式傳感器的電容非常?。╬F）級的，需要用專門的電路進行轉(zhuǎn)換，成比例地將它變成電壓、電流或頻率信號供給或遠傳給后續(xù)裝置顯示、記錄及運算等。(二)測量電路(一)交流不平衡電橋(二)變壓器電橋(三)差動脈寬調(diào)制電路(四)運算法測量電路(一)交流不平衡電橋初始阻抗設(shè)計成：(一)交流不平衡電橋令：為傳感器阻抗相對變化量為測量電橋的橋臂比為橋臂系數(shù)(一)交流不平衡電橋阻抗、電容及位移等的相對變化量之間有：∴可認(rèn)為β為實數(shù)。橋臂比A、橋臂系數(shù)K以及交流激勵電源都是復(fù)數(shù)：其中：(一)交流不平衡電橋∴其中：分別是橋臂系數(shù)的模和相角。(一)交流不平衡電橋在和E一定的情況下，要提高橋的靈敏度，就要保證：即

，同時盡可能使大。(一)交流不平衡電橋可以看出時，此時，輸出電壓USC與電源E同相位。(一)交流不平衡電橋電容交流電橋常用形式：可見：(一)交流不平衡電橋電容交流電橋常用形式：可見：(一)交流不平衡電橋電容交流電橋常用形式：可見：(一)交流不平衡電橋電容交流電橋常用形式：可見：差動結(jié)構(gòu)：差動結(jié)構(gòu)輸出電壓提高1倍(一)交流不平衡電橋交流電橋的多種形式(三)差動脈寬調(diào)制電路利用對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變化而變化。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。差動脈沖調(diào)寬電路R2D1D2ABR1C1C2USCMUrN+--+QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1P(三)差動脈寬調(diào)制電路RS觸發(fā)器真值表RSQ01110000不變11不定C1、C2為差動式傳感器A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。循環(huán)反復(fù)，AB將輸出方波tuAuBuABUMUNUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUMUNUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt當(dāng)C1=C2時當(dāng)C1>C2時差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖(三)差動脈寬調(diào)制電路當(dāng)C1=C2時當(dāng)C1>C2時UAP、UBP—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。設(shè)R1＝R2＝R，則:(三)差動脈寬調(diào)制電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。

說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

(三)差動脈寬調(diào)制電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。對于差動式變極距型電容傳感器：(三)差動脈寬調(diào)制電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。

差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，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，經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。(四)運算法測量電路CxC0-AEUSCI0IxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認(rèn)為運算放大器輸入電流為零，根據(jù)基爾霍夫定律，有：(四)運算法測量電路CxC0-AEUSCI0IxI如果傳感器是一只平行板電容，則：

上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。(四)運算法測量電路CxC0-AEUSCI0IxI由于d的初始值不為零，因此USC的零點輸出也不為零，需調(diào)零。設(shè)，則：4.3電容式傳感器的誤差分析電容式傳感器的誤差分析思考題：電容式傳感器測量誤差產(chǎn)生的主要原因及相應(yīng)的解決辦法。

溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響

電容電場的邊緣效應(yīng)

寄生與分布電容的影響4.4電容式傳感器的應(yīng)用

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)問題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。

1.電容式差壓變送器

高壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置1.電容式差壓變送器

主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。1—高壓側(cè)進氣口2—低壓側(cè)進氣口3—過濾片4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片(測量膜片)6—導(dǎo)壓硅油7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片(感壓膜片)

1.電容式差壓變送器

主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。凸玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極PLPH1.電容式差壓變送器

當(dāng)PH=PL時，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PH>PL時，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路1.電容式差壓變送器

dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路即：需要解決的問題是：中心膜片處于平直狀態(tài)時，C0=C(d0)=?；當(dāng)PH>PL模片上凸db時，CA=C(dx)=?1.電容式差壓變送器

Rbadbd0實線為球冠型固定電極設(shè)膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實際拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為db，當(dāng)d0<<R時：在PH-PL作用下,1.電容式差壓變送器

利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0:輸出USC與差壓PH-PL成正比。而所以1.電容式差壓變送器

2.電容式測微儀

a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器假設(shè)采用運算法測量電路，則輸出電壓和位移成線性關(guān)系。3.電容式液位計

電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。依此原理還可進行其它形式的物位測量。對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。3.電容式液位計

圖中電容隨水位高度hx變化的關(guān)系為：式中

D——探頭內(nèi)徑；

d——測定電極的直徑；

hx——水位高度；

ε0——空氣的相對介電常數(shù)；

ε——絕緣層的介電常數(shù)；D與d相差越小，傳感器靈敏度越高。Ddε0εhx測定電極絕緣層水3.電容式液位計

測定電極安裝在金屬儲罐的頂部，儲罐的罐壁和測定電極之間形成了一個電容器。Dd檢測電路測定電極儲罐ε0ε1hx圖中電容隨料位高度hx變化的關(guān)系為：式中k——比例常數(shù)；

D——儲罐的內(nèi)徑；

d——測定電極的直徑；

h——被測物料的高度；

ε0——空氣的相對介電常數(shù)；

ε1——被測物料的相對介電常數(shù)；4.濕度測量

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，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濕度成正比。5.電容式鍵盤

電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)