传感器第三章 电容式传感器

第三章电容式传感器第一节电容式传感器的工作原理和结构第二节误差的因素及改进措施第三节电容式传感器的测量电路第四节电容传感器的应用举例内容提要学习目标掌握电容传感器类型及各种类型的工作原理；了解输出特性及减少线性误差的措施；了解误差的影响因素及改进措施；掌握各种测量电路及工作原理；熟悉电容传感器应用。第三章电容式传感器电容元件非电量电容量变化应用：测量力、压力、位移、振动、液位、湿度、成分含量等场合特点：结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、价格低廉、并能进行非接触测量。第三章电容式传感器第一节电容式传感器的工作原理和结构一、基本工作原理1、变极距型电容传感器2、变面积型电容传感器3、变介质型电容式传感器二、差动式电容传感器1、变面积型差动电容传感器2、变极距型差动电容传感器三、电容传感器输出特性四、电容传感器等效电路第三章电容式传感器一、基本工作原理平板电容器，其电容量为：ε:电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εrε0:真空介电常数εr:极板间介质的相对介电常数；A:两平行板所覆盖的面积；d:两平行板之间的距离。r0dAdAC第三章电容式传感器ΔdΔdΔAεrε1A—面积，称变面积型传感器d—距离，称变极距型传感器—介质，称变介质型传感器类型第三章电容式传感器1、变极距型电容传感器初始电容量为00dAC电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC20000000111ddddCddCddACCCd1-定极板2-动极板d0变极距第三章电容式传感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d电容量与极板间距离之间的关系若Δd/d01时，1-(Δd/d0)2≈1，则：000200011ddCCddddCC此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器往往设计成在Δd极小范围内变化。00ddCC传感器的灵敏度为：001/ddCCK第三章电容式传感器gdgd00000ddACggεg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。C0——20~30pFd0——25~200μmΔd—小于间距的1/10测微仪返回第三章电容式传感器电容式传声器（Microphone）电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。举例1第三章电容式传感器举例1电容式传声器（Microphone）噪声动画第三章电容式传感器2、变面积型电容传感器（1）直线位移型当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容为axCdbxaC1)(0axCC0ΔC与Δx呈线性关系。axkCC10第三章电容式传感器(2)角位移型动极板定极板当θ=0时，则00dAC当θ≠0时，则0001CCdACC与角位移θ呈线性关系。第三章电容式传感器双联电容器——变面积的电容传感器当顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，谐振频率也随之改变。深度角度第三章电容式传感器（3）、圆柱型电容传感器圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化第三章电容式传感器初始电容C0为：10002DDlnLCLxCDDlnxLC1201001当内筒上移x时，内外筒间的电容C1为：D1D0Lx与x成线性关系LCC0x返回第三章电容式传感器ε1CBld2d1ε2xCACACBCBACCC11221ddbxCA1211ddxlbCB3、变介质型电容式传感器(1)单组式平板线位移变介质型2110ddblC第三章电容式传感器电容变化量与电介质移动量x呈线性关系。121212100ddlxCCC12121210ddlxCC第三章电容式传感器(2)并联柱面结构DdHh1用于测量液位高低。设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D。dDnHC120C2C1C第三章电容式传感器dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011电容增量正比于被测液位高度h。第三章电容式传感器液位计返回(3)并联平面板结构axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111电容增量正比于被测液位高度x。第三章电容式传感器二、差动式电容传感器1、变面积型差动电容传感器（1）平面板结构直线位移型位移x4a定极板动极板2C1C动态时：dabCCCx0210，静态时：axCxadbxCaxCxadbxC110201第三章电容式传感器（2）圆柱面结构直线位移型lr2R2x位移xC1xC2rRlCCCxln20021，静态时：动态时：lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201返回第三章电容式传感器（3）平面扇形变面积角位移结构0002220002211212CrRdCCrRdC0220212rRdCCC静态时：动态时：第三章电容式传感器2、变极距型差动电容传感器定片动片0d0d1C2Cd位移压力传感器动态时：00210dACCCd，静态时：两极板对应的面积为A。dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111第三章电容式传感器变极距（d）型变面积（A）型变面积（A）型变面积（A）型变极距（d）型变面积（A）型变面积（A）型变面积（A）型变介电常数型变介电常数型变介电常数型变介电常数型第三章电容式传感器三、电容传感器输出特性在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则002001/11/11ddCCddCC第三章电容式传感器在Δd/d01时,按级数展开得3020002302000111ddddddCCddddddCC电容值总的变化量为503000212ddddddCCCC第三章电容式传感器电容值相对变化量为40200012ddddddCC略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成线性关系：002ddCC传感器的灵敏度为：002/ddCCK考虑ΔC/C0式中的线性项和三次项,得到相对非线性误差r近似为：第三章电容式传感器非差动型平行板电容传感器相对变化量为0011ddCC当|Δd/d0|1时，上式可按级数展开，可得30200001ddddddddCC%100%100|/|2|)/(|220030ddddddr第三章电容式传感器只考虑线性项与二次项，则0001ddddCC由此可得出传感器的相对非线性误差r为%100%100|/|)/(0020ddddddr当|Δd/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示：00ddCC第三章电容式传感器2/00CCK%10020r提高一倍减小差动连接：00ddCC001/ddCCK%1000020）（r单边连接第三章电容式传感器灵敏度是单边的2倍；非线性误差也大大减小了；由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。差动与单边对比返回第三章电容式传感器四、电容传感器等效电路L—包括电容器本身的电感和引线电缆的电感；Rs—由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；Rp—是极板间泄漏电阻和极板间的介质损耗。CP—寄生电容低频时影响较大，随频率增高容抗减小，其影响就减弱。第三章电容式传感器低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和Rs的影响可忽略等效电容Ce=C+Cp，等效电阻Re≈RpRP（a）Ce第三章电容式传感器高频等效电路电容的阻抗变小，L和Rs的影响不可忽略，漏电的影响Rp可忽略，其中Ce=C+Cp，而Re≈RsRsLCe（b）第三章电容式传感器第二节误差的因素及改进措施一、温度对电容器结构尺寸的影响二、寄生电容与分布电容的影响三、外界干扰的影响四、温度对介质的介电常数的影响五、漏电阻的影响第三章电容式传感器一、温度对电容器结构尺寸的影响0d1h2hL1h：初始时绝缘材料的厚度2h：初始时固定极板的厚度0d：初始时空气隙的厚度L：初始时两极板的总间隙第三章电容式传感器设初始温度为时，电容传感器工作极片与固定极片间隙及初始电容为：0t210hhLdrhdAC1000环境温度变化后气隙厚度变为：tththtLdhhLt221111121,,hhL式中，分别为传感器各零件所用材料的温度线膨胀系数。第三章电容式传感器rhttthdAC1101则电容量相对误差为：thhLdtLhhdddCCChhLLhhtttt2211022110000t温度补偿02102211Lhhhhdhh第三章电容式传感器经整理得：02102211hhdhhLhLh则1122110LhLhhhd0d21hhL，，在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙，然后根据材料的线膨胀系数选择材料的合适尺寸，满足温度补偿条件的要求，达到温度补偿的作用。第三章电容式传感器二、寄生电容与分布电容的影响寄生电容：电容极板与周围物体（各种组建甚至人体）所产生的电容。分布电容：电容传感器引线电缆引起的电容(l～2m导线可达800pF)。干扰电容：寄生电容与分布电容统称。第三章电容式传感器（1）增加传感器原始电容值采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2—0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在10-3—103pF范围内，相对值变化在10-6—1范围内。（2）注意传感器的接地和屏蔽；第三章电容式传感器（3）集成化:将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术:传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆.（5）整体屏蔽法:将电容式传感器