第四章电容式传感器

第四章电容式传感器4.1工作原理与类型4.2转换电路4.3性能、特点及设计要点4.4电容传感器应用第一节工作原理和类型定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。优点：结构简单、动态响应快、易实现非接触测量由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为一、工作原理0rSSC式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数ε0=8.85*10-12F/m,εr为极板间介质相对介电常数;S——两平行板所覆盖的面积;——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式中的S,ε或发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,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。二、变极距（间距）型电容传感器当传感器的ε和S为常数,初始极距为时,可知其初始电容量C0为0SC若电容器极板间距因被测量变化而减小时，则有0SSSCC原理非线性，实际中采用差动式来改善其非线性。一般变极距式电容传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。2.变面积型电容式传感器圆柱形电容器的电容量212ln(/)lCrrR2、r1外圆筒内半径和内圆筒外半径，l外圆筒和内圆筒覆盖部分的长度当两圆筒相对外移时，电容变化量为l212122()ln(/)ln(/)lllCrrrr212ln(/)lrr0lCl具有良好线性3.变介电常数型电容式传感器根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）122()lnlnhHhDDdd21CCCdDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。测量被测介质的插入深度（1）无介质插入010000rLbc（2）有介质插入两段电容并联10212000()rrLLLcccb0000)1/(12LLcccccrr可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示,也很难为记录仪所接受,不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量,并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。第二节转换电路实现将微小的电容变化转换为电压或频率等信号电容式传感器等效电路（电容式传感器不是一个纯电容）L为电缆线电感和电容器本身电感；r为导线电阻、极板电阻、金属支架电阻；C0为传感器本身电容；Cp为引线电缆电容、极板与外界形成的寄生电容；Rg为极间等效漏电阻（漏电损耗、介质损耗、极板与外界的漏电损耗）低频等效电路：传感器电容阻抗很大，L、r忽略，Ce=C0+Cp，Re=Rg高频等效电路：电容阻抗很小，漏电影响可忽略，Ce=C0+Cp，Re=r完整等效电路低频等效电路高频等效电路一、调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图所示。调频振荡器的振荡频率为21)(21LCf式中:L——振荡回路的电感;C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。其中,C1为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容;C0±ΔC为传感器的电容。当被测信号为0时,ΔC=0,则C=C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有频率f0,f0=当被测信号不为0时,ΔC≠0,振荡器频率有相应变化,此时频率为21021])[(21LCCCffLCCCCf021021])[(21调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控。二、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。电桥电路三、运算放大器式电路将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。能克服变极距型电容式传感器的非线性。Cx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：00iixxixIUjCIUjCII00ixCUUCxSC则代入上式得0CuuS式中“—”号表示输出电压与电源电压相反。如果传感器是一只平板电容运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。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。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压四、差动脉冲调宽电路根据电路知识可知：UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为：12121211UTTTUUTTTUBA，lnln1122211111rrUUUCRTUUUCRTA、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差，设R1＝R2＝R，则说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA121210UCCCCU对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：100UddU100USSU可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；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。第三节主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度定义：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变极距型电容传感器0SSSCC由得01()1/gCCk由于/1将上式展成泰勒级数得23401...gCk圆柱型变面积电容传感器212122()ln(/)ln(/)lllCrrrr0lCl由灵敏度是初始值的函数，同时随被测量而变化，减小可以提高灵敏度但过小容易导致电容器击穿，可在极间加一层云母片或塑料膜改善其耐压性能。得0212ln(/)gCCkllrr差动变面积电容传感器结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍21212()2()ln(/)ln(/)gllllrrrrCkll214ln(/)rr灵敏度取决于，r2与r1越接近，灵敏度越高，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器线性。21/rrl（二）非线性变极距型0011/CCC因/12301...CC采用差动形式得：24021...CC结论：变面积和变介质型电容传感器比变极距型电容传感器的线性度好主要特点及设计要点一、特点优点：1、温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小)影响甚微。2、结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。3、动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。4、可实现非接触测量当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。缺点：1、输出阻抗高，带负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，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106～108Ω。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。2、寄生电容影响较大传感器的初始电容量很小，在电容器与测量电路较远，需用电缆线连接时，导线与极板间的寄生电容较大。造成测量误差。3、输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。设计与应用中存在的问题电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。1．绝缘材料的绝缘性能温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。可在