传感器技术4-电容式传感器-中英对照

第4章电容式传感器CapacitanceTypeSensors章电容式传感器工作原理、结构和特性Principle,structureandcharacteristics4.14.2测量电路Measurementcircuits4.3电容式传感器及其应用Capacitancesensorsandapplications4.4电容式传感器(capacitancetypesensors)是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、分辨力高(highresolution)、可非接触测量(contactlessmeasurement)，并能在高温、辐射(radiation)和强烈振动(strongvibration)等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路(IC-IntegratedCircuit)技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。第4章电容式传感器由绝缘介质(insulationmedium)分开的两个平行金属板组成的平板电容器(platecapacitor)，当忽略边缘效应(edgeeffect)影响时，其电容量(capacitance)与真空介电常数(permittivityofvacuum)ε0(8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数(relativepermittivity)εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关：若被测量的变化使式中δ、A、εr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(variableelectrodedistance)、变面积型(variablearea)和变介质型(variablemedium)三种类型。第一节工作原理、结构和特性C=ε0εrA/δ4.1工作原理、结构及特性(4-1)为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0，由式(4-1)可知其初始电容量C0为(4-2)4.1.1变极距型电容传感器000/rCA图4.1变极距型电容传感器原理图4.1工作原理、结构及特性时，电容量增大ΔC则有可见，传感器输出特性C＝f(δ)是非线性的，如图4-2所示。电容相对变化量为如果满足条件(Δδ0/δ0)1，式(4-4)可按级数展开(seriesexpansion)成0000000//1/rCCAC100000/1CC23000000000/1CC(4-3)(4-4)(4-5)4.1工作原理、结构及特性略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为和如果考虑式(4-5)中的线性项(linearterm)及二次项(quadraticterm)，则00000/1CC200000///rSCCA000/CC(4-6)(4-7)(4-8)4.1工作原理、结构及特性式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如曲线2。因此，以式4-6作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差(errorofnonlinearity)ef为4.1工作原理、结构及特性由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移(microdisplacement)检测中应用最广。2000000/100%100%fe(4-9)4.1工作原理、结构及特性由式(4-9)可见,δ0的减小会导致非线性误差增大；δ0过小还可能引起电容器击穿(breakdown)或短路(shortcircuit)。为此，极板间可采用高介电常数(permittivity)的材料(云母(Mica)、塑料膜(plasticfilm)等)作介质，如图4.4所示。设两种介质的相对介电质常数为εr1(空气：εr1＝1)、εr2，相应的介质厚度为δ1、δ2，则有4.1工作原理、结构及特性(4-10)图4.5所示为差动结构(differentialstructure)，动极板置于两定极板(fixedelectrodeplate)之间。初始位置(initialposition)时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容(initialcapacitance)相等。当动极板(movableplate)向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；两组电容一增一减。同差动式自感传感器的同样分析方法，由式(4-4)和式(4-5)可得电容总的相对变化量为241200000/21CCCCC(4-11)4.1工作原理、结构及特性略去高次项(higherorderterms)，可得近似的线性关系00/2CC(4-12)相对非线性误差ef′为302'002//100%2/fe(4-13)上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性(symmetryofstructure)，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。4.1工作原理、结构及特性所示。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。设动极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则电容为4.1.2.变面积型电容传感器00000rllbCCC(4-14)4.1工作原理、结构及特性式中为初始电容。电容的相对变化量为00000/blCr(4-15)00llCC4.1工作原理、结构及特性很明显，这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围(rangeoflinearity)的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为000blCSr必须指出，上述讨论只在初始极距δ0精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用图4-6(b)所示中间极移动的结构。(4-16)4.1工作原理、结构及特性变面积型差动式结构(a)扇形平板结构；(b)柱面板结构4.1工作原理、结构及特性变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构(differentialstructure)，以提高灵敏度。角位移(angulardisplacement)测量用的差动式典型(typical)结构如图4-7所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。对图(a)有022000)(rRCCrBCAC(4-17)4.1工作原理、结构及特性对图(b)有上两式中α——初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包的角度(或所对的圆心角)；δ0、εr同前。当动极板C随角位移(Δα)输入而摆动时两组电容值一增一减，差动输出。0000lrCCrBCAC(4-18)4.1工作原理、结构及特性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(insulationfilm)等的厚度，也可用来测量粮食(food)、纺织品(textile)、木材(wood)或煤(coal)等非导电固体物质(nonconductingsolidmaterial)的湿度(humidity)。图4-8为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质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。由式(4-1)(4-19)lllbCCCrr20100021)(4.1.3变介质型电容传感器4.1工作原理、结构及特性变介质型电容传感器(a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量式中ｌ0、b0——极板长度和宽度；ｌ——第二种电介质进入极间的长度4.1工作原理、结构及特性若电介质(dielectric)1为空气(εr1＝1)，当ｌ＝0时传感器的初始电容为：当介质2进入极间ｌ后引起电容的相对变化为可见，电容的变化与电介质2的移动量ｌ成线型关系。上述原理可用于非导电(non-conducting)散材物料(loosematerial)的物位测量。如图(b)所示，将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。由式(4-20)可知，测出的电容量即反映灌装高度(fillingheight)ｌ。00000/blCrllCCCCCr020001(4-20)4.1工作原理、结构及特性优点(pros)：Ⅰ.温度稳定性好(goodtemperaturestability)电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损(copperlose)等，易发热产生零漂(zerodrifting)。第二节应用中存在的问题及其改进措施特点4.2问题及改进措施Ⅱ.结构简单(simplestructure)电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。Ⅲ.动态响应好(gooddynamicresponse)电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个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，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗(mediumlose)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。4.2问题及改进措施Ⅳ.可以非接触测量，具有平均效应例如非接触测量回转轴(revolvingaxle)的振动(vibration)或偏心率(eccentricity)、小型滚珠轴承(ballbearing)的径向间隙(radialclearance)等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应(averagingeffect)，可以减小工件表面粗糙度(roughnessofsurface)等对测量的影响。电