中南大學(xué)傳感與檢測ppt-ch5-電容傳感器精講

中南大學(xué)傳感與檢測ppt-ch5-電容傳感器精講第一頁，共36頁。5.電容式傳感器概述原理：利用電容器將非電量轉(zhuǎn)換成電容量變化。其傳感作用的實質(zhì)是一個可變參數(shù)電容器。電容式傳感器的特點：①受本身發(fā)熱影響小②靜態(tài)引力?、蹌討B(tài)響應(yīng)好④結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強⑤可進(jìn)行非接觸式測量主要不足：①輸出阻抗較高、帶負(fù)載能力差；②寄生電容影響大應(yīng)用：測量壓力、位移、角度、加速度、物位、濕度和成分介質(zhì)特性等。第二頁，共36頁。5.1

工作原理與結(jié)構(gòu)類型1）基本工作原理(以平板電容器為例)忽略邊緣效應(yīng)時，金屬平板作電極構(gòu)成的電容器的電容為式中：S—極板相對覆蓋面積；—極板間距離；r—相對介電常數(shù)；0—真空介電常數(shù)，0＝8.85pF/m；—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。上式中，、S和r中的某一項或幾項變化可改變C?；騍的變化可反映線位移或角位移的變化，也可間接反映壓力、加速度等的變化；r變化可反映液面高度、材料厚度等變化。

Sδε5.電容式傳感器第三頁，共36頁。5.1工作原理與結(jié)構(gòu)類型2）電容傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)類型①變極距(間隙)型；②變面積型(S)型；③變介電常數(shù)(r)型下圖給出了常見結(jié)構(gòu)形式5.電容式傳感器說明：圖(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h)為變面積型位移傳感器結(jié)構(gòu)，圖(a)和(e)為變極距型位移傳感器結(jié)構(gòu)，圖(i)～(l)為變介電常數(shù)型結(jié)構(gòu)。第四頁，共36頁。5.2變極距型電容傳感器

極板1固定不動，極板2為可動極，當(dāng)動極板隨被測量變化而移動時，兩極板間距變化，使電容量的變化為變極距型電容傳感器特點：電容的變化量與極距的變化量呈近似線性關(guān)系，所以變極距型傳感器設(shè)計成極距在極小范圍內(nèi)變化。針對原理上的非線性，常用差動結(jié)構(gòu)來改善，并可減小外界因素影響(電壓波動、環(huán)境溫度)。δ21CC0C-特性曲線式中，C0是極距為時的初始電容量，極距相對變化/<<1.

5.電容式傳感器第五頁，共36頁。5.3變極距型傳感器的性能與改善措施-差動結(jié)構(gòu)1）主要性能(1)靜態(tài)靈敏度變極距型的靜態(tài)靈敏度Kg為：

可知：靈敏度是初始極距的函數(shù)，同時隨被測量變化。減小可提高靈敏度，但過小易致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kV/mm)。一種對策：在極間加一層云母片(其擊穿電壓大于103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。

5.電容式傳感器第六頁，共36頁。C與被測量為非線性關(guān)系，僅當(dāng)?/<<1時，略去各非線性項后才得到近似線性關(guān)系C＝C0(?/)。

的取值不能大，否則降低靈敏度。因此變極距型只宜工作在一個較小的范圍內(nèi)(1cm至零點幾mm)，且?最大應(yīng)小于極板間距的1/5～1/10。1）主要性能(2)非線性當(dāng)變極距型傳感器的極距變化時，其電容及其相對變化為:5.3變極距型傳感器的性能與改善措施-差動結(jié)構(gòu)5.電容式傳感器第七頁，共36頁。與前述單一電容傳感器的電容相對變化對比可知，差動結(jié)構(gòu)使傳感器的非線性得到改善的同時，靈敏度也提高了一倍。2）差動結(jié)構(gòu)型變極距傳感器采用圖示差動結(jié)構(gòu)形式，取上下兩電容之差為輸出。5.3

變極距型傳感器的性能與改善措施-差動結(jié)構(gòu)5.電容式傳感器第八頁，共36頁。當(dāng)極板間距和介電常數(shù)為常數(shù)，而平板電容器的面積為變量的傳感器稱為變面積式電容傳感器。變極板面積型電容傳感器有線位移和角位移兩種。線位移型電容式傳感器又分為平面線位移和圓柱線位移兩種。(1)平面線位移型傳感器：如圖a所示，其電容量為：5.4

變面積型傳感器靈敏度為：5.電容式傳感器第九頁，共36頁。5.4變面積型傳感器(2)圓柱型線位移傳感器：如上圖b所示，電容量為：靈敏度為：(3)角位移型傳感器：如圖c所示，其電容量為：靈敏度為：變面積型電容傳感器的輸出與輸入呈線性關(guān)系，但靈敏度比變極矩型低，適用于測量較大的線、角位移。變面積型電容器常用差動形式，使傳感器的輸出和靈敏度均可提高一倍。5.電容式傳感器第十頁，共36頁。該類型大多用來測電介質(zhì)的厚度、液位及利用極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變測介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為

δx厚度傳感器C1C2C3C5.電容式傳感器5.5變介電常數(shù)型電容傳感器式中，為極板間距，0是空氣的介電常數(shù)，是介質(zhì)的介電常數(shù)，ab是極板的面積。介質(zhì)的厚度不同或變化，通過傳感器的電容量變化來反映。第十一頁，共36頁。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為：

C1C2C3CC4a、b、lx:定極板長度和寬度及被測物進(jìn)入兩極板間的長度；:兩固定極板間的距離；x、、0:被測物厚度及其介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

l平板形lx5.電容式傳感器5.5變介電常數(shù)型電容傳感器第十二頁，共36頁。若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為

液位傳感器CC1C2可見，傳感器電容C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。

忽略邊緣效應(yīng)時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器有很好的線性，但實際上邊緣效應(yīng)引起極板間電場分布不均勻，導(dǎo)致非線性仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。

h2r12r2hx5.電容式傳感器5.5變介電常數(shù)型電容傳感器式中：，第十三頁，共36頁。例：某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的r＝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：5.電容式傳感器5.5

變介電常數(shù)型電容傳感器第十四頁，共36頁。5.6傳感電容的等效電路與抗干擾問題1）等效電路L-引線電纜電感+電容式傳感器本身電感：r-引線電阻+極板電阻+金屬支架電阻；C0-傳感器的電容；Cp-引線電纜、所接電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg-極間等效漏電阻，包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗、介質(zhì)損耗。C0CpRgLrCeReLreCe低頻；高頻供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/25.電容式傳感器第十五頁，共36頁。5.6傳感電容的等效電路與抗干擾問題2）抗干擾問題(1)高阻抗、小功率電容器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，因電容量很小而使輸出阻抗很高。又因為電容器的視在功率P=Uo2C，C很小導(dǎo)致P也很小，使其負(fù)載能力差，易受外界干擾影響。電容小，容抗大，要求傳感器絕緣部分的阻值極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻影響傳感器性能(如降低靈敏度)?？梢暈榕月冯娮璧慕^緣電阻稱為漏電阻。為此，要從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面減小環(huán)境溫濕度的影響，保證絕緣材料的高絕緣性。5.電容式傳感器第十六頁，共36頁。5.6傳感電容的等效電路與抗干擾問題2）抗干擾問題(2)邊緣效應(yīng)理想條件下平板電容器的電場均勻分布于兩極板相互覆蓋的空間，但實際在極板邊緣附近的電場分布不均，尤其在極板邊長與極板間距比值較小時，邊緣電場的影響不能忽略。邊緣效應(yīng)使傳感器的靈敏度下降、非線性增加。減小影響的有效措施：減小極板厚度、加裝等電位環(huán)。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場5.電容式傳感器第十七頁，共36頁。5.6傳感電容的等效電路與抗干擾問題2）抗干擾問題(3)寄生電容影響傳感電容容量很小，引線電纜電容(l~2m線達(dá)800pF)、測量電路的雜散電容以及極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。寄生電容與傳感電容并聯(lián)，使得傳感器易受其干擾，靈敏度降低，并且因寄生電容隨機變化而工作不穩(wěn)定，甚至因干擾超過信號而使傳感器無法工作。

消除和減小寄生電容影響的主要措施：①增加傳感器原始電容值；②注意傳感器的接地和屏蔽；③集成化；④采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。傳感電容與測量電路集成能完全消寄生電容，但電子元件本身的原因，使集成化方式不適于高、低溫或惡劣環(huán)境。5.電容式傳感器第十八頁，共36頁。5.6傳感電容的等效電路與抗干擾問題2）抗干擾問題(3)寄生電容影響—“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)*

不能用集成化或者因某些原因(如環(huán)境溫度高)測量電路與傳感電容分開時，可用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。傳感電容與測量電路前置級采用雙屏蔽層電纜連接，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(電纜芯線)經(jīng)1:1放大實現(xiàn)等電位(屏蔽線的電位跟隨傳感器輸出信號)，消除芯線與內(nèi)屏蔽層間的電容。

材料、工藝和集成電路技術(shù)的發(fā)展，使電容傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷被克服，目前已成為一種高靈敏度、高精度的傳感器?！膀?qū)動電纜”技術(shù)原理圖1：1＋－測量電路前置級外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器5.電容式傳感器第十九頁，共36頁。5.7測量電路1）交流電橋

傳感電容接在電橋一個臂(另一個為固定電容)或兩相鄰臂上，另兩臂為電阻或電容或電感，或是變壓器的兩個二次線圈。當(dāng)另兩臂是緊耦合電感臂電橋時有較高靈敏度和穩(wěn)定性、寄生電容影響極小，可大大簡化電橋的屏蔽和接地，適于高頻電源下工作。變壓器電橋元件最少，橋路內(nèi)阻最小。電路特點：①高頻交流正弦波供電；②輸出調(diào)幅波，要求電源電壓波動小，需穩(wěn)幅穩(wěn)頻等措施；③常處不平衡狀態(tài)，傳感器須工作在平衡點附近，否則電橋非線性增大，在高精度場合需用自動平衡橋；④輸出阻抗高、輸出電壓低，須后接高輸入阻抗、高增益處理電路。5.電容式傳感器第二十頁，共36頁。5.7測量電路2）調(diào)頻電路這種電路把電容傳感器作為振蕩器電路的一部分，當(dāng)被測量變化而使電容量發(fā)生變化時，能使振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的電容調(diào)制故稱為調(diào)頻電路。第二十一頁，共36頁。5.7測量電路3）二極管雙T形電路*電路如圖所示，e是高頻電源，提供幅值為U的對稱方波，D1、D2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。圖二極管雙T型交流電橋5.電容式傳感器第二十二頁，共36頁。時，RL上的電壓為：

負(fù)半周時，由圖d有：同理，正半周時，由圖c得：一個周期T內(nèi)負(fù)載上的平均電流為：解上方程組得：5.7測量電路3）二極管雙T形電路*5.電容式傳感器第二十三頁，共36頁。5.7測量電路3）二極管雙T形電路特點：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，與電容無關(guān)，克服了高內(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。

5.電容式傳感器第二十四頁，共36頁。5.7測量電路4）差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈寬隨傳感電容變化而變化。經(jīng)低通濾波得到被測量變化的直流信號。圖中C1、C2為差動傳感器的兩個敏感電容，若用單組式，則其中一個固定不變，其電容值與傳感電容初值相等；A1,A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路G5.電容式傳感器第二十五頁，共36頁。tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U05.電容式傳感器差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖第二十六頁，共36頁。UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為:

UA、UB—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。Ur—觸發(fā)器的參考電壓。C1、C2的充電時間T1、T2為

設(shè)R1＝R2＝R，則

因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。5.電容式傳感器5.7測量電路4）差動脈沖調(diào)寬電路，第二十七頁，共36頁。5.7測量電路4）差動脈沖調(diào)寬電路設(shè)平板電容C1和C2的極距和面積分別為1、2和S1、S2，對差動式變極距型和變面積型電容式傳感器分別可得：電路特點：①采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高②不存在對穩(wěn)頻度的要求③對變間隙、變面積型的電容傳感器都能線性輸出④不需相敏檢波與解調(diào)⑤對元件無線性要求⑥對輸出矩形波純度要求不高。5.電容式傳感器第二十八頁，共36頁。5.7測量電路2）二極管雙T形電路4）運算放大器式電路*其最大特點是能克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖,輸出為：將Cx=S/

代入上式得

-A～uoCCxu∑運算放大器式電路原理圖負(fù)號表輸出與電源電壓反相。上式中輸出電壓與極距成線性關(guān)系，從原理上保證了變極距型電容傳感器的線性，但其假設(shè)條件為：放大器開環(huán)增益A=∞，輸入阻抗Zi=∞，因此實際存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，這種誤差很小。

5.電容式傳感器第二十九頁，共36頁。5.8電容傳感器的應(yīng)用1）性能優(yōu)勢(1)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強結(jié)構(gòu)簡單，易制造，便于微型化和集成化。其適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力強，可承受較大溫度變化，能在高壓、高沖擊、過載等情況下正常工作，能測帶磁性的工件。(2)動態(tài)響應(yīng)好

極板間的靜電引力很小(10-5N數(shù)量級)，所需作用能量極小，特別適宜測低能量輸入，如極低壓力、力和很小的加速度、微位移等，靈敏度、分辨力高；其可動部分的質(zhì)量可很小，因而固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快，可測高速變化參數(shù)，如瞬時壓力等。(3)可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)可用于被測件不許接觸的情況。傳感器具有的平均效應(yīng)可減小工件和傳感器制造的局部缺陷等對測量的影響。5.電容式傳感器第三十頁，共36頁。5.8電容傳感器的特點與應(yīng)用2）應(yīng)用

可直接用于檢測位移、物質(zhì)的化學(xué)組成、電場等參數(shù)；可間接用于其它可轉(zhuǎn)換為位移或介電常數(shù)的量如壓力、加速度、流體液位、流體成分等。

典型應(yīng)用舉例：接近覺檢測：人體接近探測、燈光開關(guān)、車輛探測；非電量測量：流量（轉(zhuǎn)換為壓力、位移）、壓力、液位、物質(zhì)水份、空間距離、電容層析成像（多電極分布式測量，推導(dǎo)出檢測范圍的電介質(zhì)分布，用于兩相流）、厚度、線位移