,3.3 电容式传感器,3.3.1 电容式传感器的工作原理 3.3.2 电容式传感器主要性能 3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点 3.3.4 电容式传感器等效电路 3.3.5 电容式传感器测量电路 3.3.6 电容式传感器的应用 3.3.7 容栅式传感器,上一页,下一页,返 回,概述,电容式传感器,电容式传感器的特点是： 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十几百微法，具有高输出阻抗; 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可进行非接触测量。 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。,概述,电容式传感器,各种电容式传感器,概述,电容式传感器,电容式传感器典型应用,电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。,优点：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。,应用：压力，差压，液位，振动，位移，加速度，成份含量等,3.3.1 电容式传感器的工作原理,1. 工作原理及类型 2. 变极距型电容传感器 3. 变面积型电容传感器 4. 变介电常数型电容式传感器,上一页,返 回,下一页,1. 工作原理及类型,上一页,返 回,下一页,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积以及两极板间的距离有关：,若被测量的变化使式中、 三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。,S 极板相对覆盖面积； 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),上一页,返 回,下一页,2. 变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则式（3.3.3）可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性,由图3.3.2知初始电容,上一页,返 回,下一页,3. 变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,上一页,返 回,下一页,平面线位移型：原理结构如图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化,式中C0=0rb0L0/d0为初始电容。电容相对变化量为,输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移.非线性误差为零。它的灵敏度为s,若在b方向移动b,结果怎样？,电容式角位移传感器,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,上一页,返 回,下一页,当动极板有一个角位移时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。当=0 时, 则,增量,灵敏度,4. 变介电常数型电容式传感器,这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。,4. 变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,上一页,返 回,下一页,当L=0时，传感器的初始电容,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,上一页,返 回,下一页,图中两平行极板固定不动，极距为d0 ，相对介电常数为的电介质1 以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。,原理演示,3.3.2 电容式传感器主要性能,1. 静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比,上一页,返 回,下一页,变极距型，其静态灵敏度为,将上式展开成泰勒级数得,但过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm) 在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来 改善电容器耐压性能,差动结构也可提高灵敏度,上一页,返 回,下一页,平板式变面积型,b,a,a,b kg,减小 、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,上一页,返 回,下一页,2. 非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得, 取值不能大，否则将降低灵敏度,上一页,返 回,下一页,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗 作为电容式传感器输出量,被测量与 成线性关系,无需满足,上一页,返 回,下一页,3.3.3 传感器的特点和设计要点,1. 特 点 2. 设计要点,上一页,返 回,下一页,1、特点,优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ） 2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应,上一页,返 回,下一页,动态响应好,极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小 可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻 其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。 介质损耗小，可以用较高频率供电 系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,返 回,缺 点：,1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度,上一页,返 回,下一页,2. 设计要点,(1). 减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 (2). 消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止 和减少外界干扰 (4) 尽可能采用差动式电容传感器,上一页,返 回,下一页,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能,选材、结构、加工工艺 电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上 喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应） 电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 电介质 ：空气或云母 （介电常数温度系数近为0） 传感器密封，用以防尘、防潮 采用差动结构、测量电路来减小温度等误差,上一页,返 回,下一页,(2). 消除和减小边缘效应,危害：灵敏度降低 产生非线性 减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大 易产生击穿并有可能限制测量范围,上一页,返 回,下一页,等位环 结构,带有等位环的平板电容传感器原理 1、2 电极 3等位环,边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上非线性恰好相反， 因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降,上一页,返 回,下一页,(3) 消除和减小寄生电容的影响， 防止和减少外界干扰。,（a）屏蔽和接地 （b）增加初始电容值，降低容抗。 （c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。 （d）尽可能一点接地，避免多点接地,上一页,返 回,下一页,(5)差动技术的运用,减小非线性误差 提高传感器灵敏度 减小寄生电容的影响 温度、湿度等环境因素的影响,上一页,返 回,上一页,返 回,下一页,3.3.4 电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感； r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容 Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容 Rg是极间等效漏电阻 极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,上一页,返 回,下一页,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻ReRg,上一页,返 回,下一页,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中Ce=C0+Cp，而rer,上一页,返 回,下一页,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke， ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,上一页,返 回,下一页,3.3.5 电容式传感器测量电路,(1) 调频电路 (2) 运算放大器电路 (3) 双T型电桥电路 (4) 脉宽调制电路 电桥电路,上一页,返 回,下一页,(1) 调频电路,上一页,返 回,下一页,谐 振 曲 线,当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，,当被测信号不为零时，c0，此时频率为,具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量 易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强,上一页,返 回,下一页,(2). 运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号,上一页,返 回,下一页,运算放大器式电路原理图,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性 假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差， 但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。,上一页,返 回,下一页,(3)二极管双T型电路,上一页,返 回,下一页,UE高频对称方波电源， D1、D2特性相同二极管 C1、C2传感器差动电容 R固定电阻，RL负载。,电容式传感器 测量电路 二极管双T型电路,双T型电路工作原理分析 正半周D1导通D2截止C1充电； 负半周D1截止D2导通C2充电； 一个周期内负载RL上输出 电压URL与电源电压VE幅值、 频率f有关;与电容的差值 (C1-C2)成正比,若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路,上一页,返 回,下一页,供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波 可直接得到电容C2的电流iC2如下:,上一页,返 回,下一页,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成,故在负载RL上产生的电压为,同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为,上一页,返 回,下一页,电路的特点 :,线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； 输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； 适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。,上一页,返 回,下一页,(4). 差动脉冲调宽电路,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化 通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,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,上一页,返 回,下一页,C1=C2,C1C2,电路组成： A1、A2比较器； 双稳态触发器；