《傳感器與檢測技術(shù)》第三章電容式傳感器

《傳感器與檢測技術(shù)》第三章電容式傳感器第一頁，共31頁。利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量，進(jìn)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。由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。它的優(yōu)點是測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等?？梢詮V泛的應(yīng)用在力、壓力、壓差、振動、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。第二頁，共31頁。第一節(jié)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)平板電容器電容量為：ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0?εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr—極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；A—兩平行板所覆蓋的面積；d—兩平行板之間的距離。當(dāng)被測參數(shù)變化使得式中的A，d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。這就是電容傳感器的基本工作原理。因此，電容式傳感器可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式三種類型。第三頁，共31頁。平板電容器電容量為：當(dāng)被測參數(shù)變化使得式中的A，d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。基本工作原理：如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式三種。第一節(jié)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)第四頁，共31頁。一、變極距式電容傳感器1．變極距式電容式傳感器的工作原理原理：僅改變極距一個參數(shù)，就可把極距的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。當(dāng)保證最大位移小于間距的1/10時，電容值相對變化量為：C與Δd的關(guān)系呈近似線性關(guān)系。靈敏度為：對于一個變極距式電容傳感器，其靈敏度是與其初始極距大小和初始電容量相關(guān)的近似常數(shù)。第五頁，共31頁。2．變極距式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)（1）差動結(jié)構(gòu)變極距式電容式傳感器1為動片、2為定片，中間電極若受力向上位移Δd則C1容量增加，C2容量減小，推出：電容傳感器做成差動式后之后，靈敏度提高一倍。（2）保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)變極距式電容式傳感器電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，消除極板的邊緣效應(yīng)的影響，極板1與極板2間的場強分布變得均勻第六頁，共31頁。（3）高介電常數(shù)的變極距式電容式傳感器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)云母片的相對介電常數(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。變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間，將極板間距離設(shè)定在25～200μm的范圍內(nèi)，將最大位移應(yīng)小于間距的1/10，在微位移測量中應(yīng)用最廣第七頁，共31頁。二、變面積式電容式傳感器

1．變面積式電容式傳感器工作原理原理：僅改變面積一個參數(shù)，就可把面積的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。分類：根據(jù)面積變化方式的不同分為：平板形變面積式電容式傳感器、旋轉(zhuǎn)形變面積式電容式傳感器、圓柱形變面積式電容式傳感器。（a）平板形變面積式電容（b）旋轉(zhuǎn)形變面積式電容（c）圓柱形變面積式電容第八頁，共31頁。（1）平板形變面積式電容式傳感器對于一個特定的平板形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)相關(guān)的常數(shù)。（2）旋轉(zhuǎn)形變面積式電容式傳感器對于一個特定的旋轉(zhuǎn)形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和初始電容量相關(guān)的常數(shù)。（3）圓柱形變面積式電容式傳感器對于一個特定的圓柱形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和初始電容量相關(guān)的常數(shù)。第九頁，共31頁。2．變面積式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)圖示是變面積式差動電容結(jié)構(gòu)，傳感器輸出和靈敏度均提高一倍。（a）平板形差動電容；（b）旋轉(zhuǎn)形差動電容；（c）圓柱形差動電容第十頁，共31頁。三、變介質(zhì)式電容式傳感器

變介質(zhì)式電容式傳感器工作原理保持面積和極距兩個參數(shù)不變，而僅改變介質(zhì)一個參數(shù)，就可把介質(zhì)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。這就是變介質(zhì)式電容傳感器的基本工作原理。變介質(zhì)式電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來測量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。圓柱形變介質(zhì)式電容式傳感器平板形變介質(zhì)式電容式傳感器第十一頁，共31頁。第二節(jié)電容式傳感器的特性與補償?shù)谑?，?1頁。一、一般結(jié)構(gòu)電容傳感器

1．一般結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的靈敏度電容傳感器的靈敏度為：它說明了單位輸入位移所引起輸出電容相對變化的大小與d0呈反比關(guān)系。2．一般結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的非線性誤差結(jié)論：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。第十三頁，共31頁。二、差動結(jié)構(gòu)電容傳感器

1．差動結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的靈敏度在時，此時電容傳感器的在靈敏度為：2．差動結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的非線性誤差電容式傳感器的相對非線性誤差δ近似為：結(jié)論：電容傳感器做成差動式之后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降低了。第十四頁，共31頁。第三節(jié)電容式傳感器的測量電路第十五頁，共31頁。電容轉(zhuǎn)換電路交流電橋電路調(diào)頻電路運算放大器式電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路普通交流電橋緊耦合電感臂電橋變壓器電橋第十六頁，共31頁。普通交流電橋由電容C、C。和阻抗Z、Z’組成的普通交流電橋測量電路，其中C為電容傳感器的電容，Z’為等效配接阻抗，C0和Z分別為固定電容和阻抗。這種交流電橋測量電路要求提供幅度和頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗Zi很高。為了改善電路的動態(tài)響應(yīng)特性，一般要求交流電源的頻率為被測信號最高頻率的3-10倍。一、交流電橋測量電路第十七頁，共31頁。緊耦合電感臂電橋

該電路的特點是兩個電感臂相互為緊耦合，它的優(yōu)點是抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。

一、交流電橋測量電路第十八頁，共31頁。變壓器電橋C1、C2為差動電容式傳感器的電容

可見，在放大器輸入阻抗極大的情況下，輸出電壓與位移成線性關(guān)系。

一、交流電橋測量電路第十九頁，共31頁。交流電橋測量電路的特點

①高頻交流正弦波供電；②電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動平衡電橋；④輸出阻抗很高（幾MΩ至幾十MΩ），輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。第二十頁，共31頁。二、調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。1．工作原理

調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：當(dāng)被測信號不為0時，ΔC≠0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為：2．使用結(jié)論振蕩器輸出的高頻電壓將是一個受被測信號調(diào)制的調(diào)制波，其頻率由上式?jīng)Q定。調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度，可以測至0.01μm級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。第二十一頁，共31頁。三、運算放大器式電路運算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系。運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。但要求Zi及K足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。使用結(jié)論

原理：運算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。第二十二頁，共31頁。四、二極管雙T型交流電橋2．線路特點①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；④適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。1．結(jié)構(gòu)e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩個二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。當(dāng)傳感器沒有輸入時，C1=C2。第二十三頁，共31頁。四、二極管雙T型交流電橋3．使用結(jié)論①當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。②該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓Ei=46V時，電容從-7～+7pF變化，可以在1MΩ負(fù)載上得到-5～+5V的直流輸出電壓。③電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)Ui幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。④電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，其值為1～100kΩ。輸出信號的上升沿時間取決于負(fù)載電阻。對于1kΩ的負(fù)載電阻上升時間為20μs左右，故可用來測量高速的機械運動。第二十四頁，共31頁。第四節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用第二十五頁，共31頁。一、電容式傳感器的特點1．電容傳感器的優(yōu)點（1）溫度穩(wěn)定性好（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強（3）動態(tài)響應(yīng)好（4）可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)（5）所需能量小、可測微小位移2．電容傳感器的缺點（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差（2）寄生電容影響大（3）輸出特性非線性第二十六頁，共31頁。二、電容式傳感器的應(yīng)用

1．電容式壓力傳感器當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時，形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。第二十七頁，共31頁。2．電容式加速度傳感器主要特點：頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。第二十八頁，共31頁。3．差動式電容測厚傳感器振蕩頻率包含了電容傳感器的間距dx的信息。各頻率值通過取樣計數(shù)器獲得數(shù)字量，然后由微機進(jìn)行處理以消除非線性頻率變