传感器技术-第四章-电容式传感器.ppt

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1、第四章第四章 电容式传感器电容式传感器4.1 工作原理、结构及特性工作原理、结构及特性4.2 应用中存在的问题及改进措施应用中存在的问题及改进措施4.3 测量电路测量电路4.4 电容式传感器及其应用电容式传感器及其应用 电容式传感器是将非电量的变化转换成电容式传感器是将非电量的变化转换成电容量电容量的变化。结构简单、分辨率高、可非接触测量，的变化。结构简单、分辨率高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣环境工作。并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣环境工作。微机械结构集成化电容传感器将成为一种很微机械结构集成化电容传感器将成为一种很有前途的传感器。有前途的传感器。4.1 工作原理、结构特

2、性工作原理、结构特性 A 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；极板间距离；极板间距离；r相对介电常数；相对介电常数；0真空介电常数，；真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。A4.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器变极距变极距(）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(A)(A)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)4.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器(非线性关系非线性关系)若极距若极距缩小缩小，电电容量容量为为：初始电容：初始电容：电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：若若/0 1，则上式

3、按级数展开为：，则上式按级数展开为：灵敏度灵敏度S为为:略去高次略去高次(非线性非线性)项，可得近似的线性关系：项，可得近似的线性关系：由上讨论可知：由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在变极距型电容传感器只有在 /0很小很小(小测量范围小测量范围，10%)时，才有近似的线性时，才有近似的线性输出；输出；(2)灵敏度灵敏度 与与 初始极距的平方成反比初始极距的平方成反比，故可用，故可用减少减少0 的办法来提高灵敏度。例如电容式压力传感器的办法来提高灵敏度。例如电容式压力传感器常取常取0=0.10.2mm,C0在20100pF之间，可测小至m的位移。考虑线性项和二次项，则考虑线性项和二次项

4、，则相对非线性误差相对非线性误差为为:又由又由ef的表达式可见，的表达式可见，0 的减小会导致非线性误的减小会导致非线性误差增大；过小还可能引起电容器击穿或短路，为此，差增大；过小还可能引起电容器击穿或短路，为此，极板间可采用高介电常数的材料极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等云母、塑料膜等)作作介质。介质。差动结构差动结构，动极板置于两定极板之，动极板置于两定极板之间。初始位置时，间。初始位置时，1=2=0，两边初，两边初始电容相等。动极板向上有位移始电容相等。动极板向上有位移时，时，则电容总的相对变化量为则电容总的相对变化量为:略去高次项略去高次项,得得:此时此时,相对非线性误差为

5、相对非线性误差为:4.1.2 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 当动极板相对于定极板平当动极板相对于定极板平移移l 时，其电容量为时，其电容量为呈线性关系呈线性关系 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容相对变化量为:灵敏度:电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当当=0时时 当当0时时传感器电容量传感器电容量C与角位移与角位移间呈间呈线性关系线性关系 上一页返 回下一页若电介质若电介质1为空气，当为空气，当L=0时，传感器的初始电容：时，传感器的初始电容：被测电介质进入极板间被测电介质进入极板间L深度后，电容相对变化量：深度后，电容相对变化量：电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移

6、动量L呈呈线性关系线性关系 4.1.3 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器初始电容为：初始电容为：电容与液位的关系为：电容与液位的关系为：上一页返 回下一页电容式液位传感器电容式液位传感器4.2 应用中存在的问题及其改进措施应用中存在的问题及其改进措施 4.2.1 等效电路等效电路 若考虑电容传感器在高若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件温、高湿及高频激励的条件下工作而下工作而不可忽视其附加损不可忽视其附加损耗和电效应影响耗和电效应影响时，其等效时，其等效电路如图所示。电路如图所示。RsCCPRpL 图中图中 C传感器电容，传感器电容，Rp低频损耗并联电阻，含极板间漏电和

7、介质损耗；低频损耗并联电阻，含极板间漏电和介质损耗；Rs高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L 电容器及引线电感。电容器及引线电感。CP寄生电容。寄生电容。可见，在实际应用中，特别在可见，在实际应用中，特别在高频激励时高频激励时，尤需，尤需考虑考虑 L的存在，会使传感器有效电容变化：的存在，会使传感器有效电容变化：引起传感器有效灵敏度改变引起传感器有效灵敏度改变(修改修改P103公式公式4-22)在这种情况下，每当在这种情况下，每当改变激励频率改变激励频率或者或者更换传输

8、更换传输电缆时电缆时都必须对测量系统都必须对测量系统重新进行标定重新进行标定。4.2.2 边缘效应边缘效应 以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度应的影响。实际上当极板厚度h 与极距与极距 之比相对之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为板半径为r 的变极距型电容传感器，其电容值应按的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：下式计算：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影产生非线性。为

9、了消除边缘效应的影 响，可以采用响，可以采用带有保护环的结构，如图所示。带有保护环的结构，如图所示。等位环等位环等位环等位环 结构结构结构结构 边边缘缘电电场场均均匀匀电电场场3321带有等位环的平板电容传感器原理带有等位环的平板电容传感器原理带有等位环的平板电容传感器原理带有等位环的平板电容传感器原理1、2 电极电极 3等位环等位环上一页上一页返返 回回下一页下一页32 保护环保护环3与定极板与定极板2同心、同心、电气上绝缘且两者间隙越小电气上绝缘且两者间隙越小越好，同时始终保持等电位，越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘的场强分

10、布，从而克服边缘效应的影响。效应的影响。为减小极板厚度，往往为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。蒸涂一薄层金属作为极板。4.2.3 静电引力静电引力 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件

11、情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。几种常用方法。键。几种常用方法。1 驱动电缆法驱动电缆法2整体屏蔽法整体屏蔽法33 采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术4.2.4 寄生电容寄生电容 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（都很小（几皮法到几十皮法几皮法到几十皮法），属于小功率、高阻抗，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且

12、具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。淹没有用信号而不能使用。4.2.5 温度影响温度影响1、温度对结构尺寸的影响、温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于电容传感器由于极间隙很小极间隙很小而对结构尺寸的变化而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。产生很

13、大的温度误差。2、温度对介质的影响温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。如煤油的介电常数温度系数可达较大。如煤油的介电常数温度系数可达0.07 /；若环境温度变化若环境温度变化50，则将带来，则将带来 7的温度误差，的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。4.3 测量电路 4.3.1

14、耦合式电感电桥耦合式电感电桥4.3.2 双双T型电桥电路型电桥电路4.3.3 脉宽调制电路脉宽调制电路4.3.4 运算放大器电路运算放大器电路4.3.5 调频电路调频电路上一页返 回下一页4.3.2 二极管双二极管双T型电路型电路 上一页上一页返返 回回下一页下一页U0iC1iC2UfD1D2RRC1C2RL 激励电源为方波。一激励电源为方波。一个周期内，通过负载的电个周期内，通过负载的电流为两流为两电容器放电电流电容器放电电流之之差，若两电容不等则一周差，若两电容不等则一周期内负载电流不为零。期内负载电流不为零。4.3.3 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 l利用对传感器电容的充放电使电路输

15、出利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化随传感器电容量变化而变化l通过低通滤波器就能得到对应被测量变通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号化的直流信号 上一页返 回下一页上一页返 回下一页差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器上一页返 回下一页uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为为 式中式中UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间；的充电时间；U1触发器输出

16、的高电位。触发器输出的高电位。上一页上一页返返 回回下一页下一页C1、C2的充电时间的充电时间式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R1=R2=R，则得，则得 结论结论结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器动式电容式传感器 并具有并具有理论上的线性特性理论上的线性特性 上一页上一页返返 回回下一页下一页优优 点：点：采用

17、直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 上一页上一页返返 回回下一页下一页4.3.4 运算放大器式电路运算放大器式电路 最大特点最大特点最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容是传感器电容C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 上一页上一页返返 回回下一页下

18、一页运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uiC-ACxu0由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 结论结论结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性线性线性线性 前提：假设放大器开环放大倍数前提：假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗，输入阻抗Zi=实际仍然存在一定的非线性误差，实际仍然存在一定的非线性误差，但一般但一般A和和Zi足够大，所以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。上一页上一页返返 回回下一页下一页4.3.5 调频电路调频电路上一页返 回下一

19、页当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至m级位移变化量级位移变化量易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页上一页返返 回回下一页下一页4.6 电容式传感器的应用 上一页返 回下一页 随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显用优点十分明显（1）分辨力极高分辨力极高，能测量低达，能测量低达 10-

20、7的电容值或的电容值或 微微米的绝对变化量和高达米的绝对变化量和高达(C/C)=100200%的相对变的相对变化量，因此尤其适合微信息检测；化量，因此尤其适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性可获得高的静态精度和好的动态特性(3）结构简单）结构简单,不含有机材料或磁性材料，对环境不含有机材料或磁性材料，对环境 除高湿外除高湿外 的适应性较强；的适应性较强；过载能力强。过载能力强。P2玻璃盘玻璃盘镀金层镀金层金属金属膜片膜片C2电极引线电极引线p1C1电电容容式式差差压压传

21、传感感器器 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(约约100ms)能测微小压差能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力.测真空或微小绝对压力时测真空或微小绝对压力时需把膜片的一侧密封需把膜片的一侧密封并抽成高真空并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 为何种类型电容传感器？为何种类型电容传感器？上一页上一页返返 回回下一页下一页231B面面A面面546Cx1Cx21、5 固定极板固定极板 2壳体壳体 3簧片簧片 4 质量块质量块 6 绝缘体绝缘体A、B面为可动极板面为可动极板 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度精度较高，频率

22、响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 电电容容式式加加速速度度传传感感器器上一页上一页返返 回回下一页下一页a)a)测振幅测振幅b)b)测轴回转精度和轴心偏摆测轴回转精度和轴心偏摆被测物被测物振动振动电容式电容式传感器传感器被测轴被测轴电容式电容式传感器传感器电电容容式式位位移移传传感感器器应应用用 上一页上一页返返 回回下一页下一页电电荷荷平平衡衡式式位位移移传传感感器器 VR为不变的等幅方波信号，为不变的等幅方波信号，VM与与VR反向幅反向幅值可变，其幅值与测头的位置成比例值可变，其幅值与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用应

23、用。上一页上一页返返 回回下一页下一页一、电容式液位计一、电容式液位计 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。液位限位传感器的液位限位传感器的设定设定 智

24、能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。加速度传感器安装

25、在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的轿车器的轿车气囊气囊汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气时，经控制系统使气囊迅速充气。三、湿敏电容三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容利用具有很大吸湿

26、性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。湿敏电容湿敏电容外形外形湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型五、电容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）饲料、人体等）；可以是接地的，也；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是不接地的。调节接近开关尾部调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。不同来改变动作距离。全密封防水式全密封防水式全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示演示