电容式传感器

传感器与检测技术检测与传感技术3.2电容传感器集成电容传感器工作原理与类型测量电路电容式传感器的误差分析电容式传感器的应用传感器与检测技术检测与传感技术电容传感器测量范围大，相对变化量可大于100％;灵敏度高，分辨率高；动态响应时间短；机械损失小；结构简单，适应性强，可非接触测量。寄生电容影响较大，降低了测量灵敏度；与传感器联接的线路较复杂。优点：缺点：传感器与检测技术检测与传感技术1.变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++S当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。SSCr0电容式传感器传感器与检测技术检测与传感技术2分类电容式传感器c)介质变化型AC0a)极距变化型;+++b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++传感器与检测技术检测与传感技术极距变化型传感器与检测技术检测与传感技术传感器与检测技术检测与传感技术传感器与检测技术检测与传感技术传感器与检测技术检测与传感技术3.2.1工作原理与类型一、工作原理两个金属板间的电容为SSCr0二、类型1.变极距（δ）型电容传感器2.变面积（S）型电容传感器3.变介电常数（ε）型电容传感器传感器与检测技术检测与传感技术1.变极距（δ）型电容传感器0000CCSC00SC302003020000)()(])()(1[CC00CC0/0忽略高次项电容微位移计0传感器与检测技术检测与传感技术1.变极距（δ）型电容传感器2000SCCK灵敏度%100/)/(0020L线性度00CC由上面两式知，δ0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。怎么办？传感器与检测技术检测与传感技术1.变极距（δ）型电容传感器002CC%100/)/(20030L002CCK差动式00CK%100/)/(0020L一般式比较])()([250300021CCCC传感器与检测技术检测与传感技术差动变极距（δ）型电容传感器差动变面积（S）型电容传感器传感器与检测技术检测与传感技术2.变面积（S）型电容传感器⑴.角位移式220RSC)1(2)(02CRC当转角时：000CK灵敏度传感器与检测技术检测与传感技术⑵.直线位移式极板起始遮盖长度abSC0初始时)1()(0axCxabCx当其中一个极板移动距离为x时，baCxCK0灵敏度传感器与检测技术检测与传感技术⑶.圆柱形)/ln(2120rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2设r1、r2为内、外圆筒半径，忽略边缘效应，内外筒间的电容值为：l为有效长度传感器与检测技术检测与传感技术3.变介电常数(ε)型电容传感器⑴.电容液位计)/ln()(2)/ln(221221rRhhrRhC)/ln(2112rRhC12112112121)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(2KhArRhrRhrRhrRhhCCCC与液位高度h1成正比总电容＝？传感器与检测技术检测与传感技术⑵.用于测量厚度或介电常数的变介质传感器1100110011001010ddSdSdSdSdSCCCCC可见，这是一个非线性传感器。d为两电极板之间的间距，d1为被测电介质的厚度，极间空气介质的厚度为d0=d－d1总电容＝？传感器与检测技术检测与传感技术一、测量电桥3.2.2测量电路（1）初态时：电桥调整到平衡状态，此时C1C3=C2CX，Uo=0（2）工作时：CX发生变化，电桥不平衡；即CX变化一个ΔCX，则电桥输出ΔUo，电容变化量越大，电桥输出电压越大，输出电压能线性反映电容量的变化。1、单臂桥传感器与检测技术检测与传感技术UCjCjCjUCjCjCjUx111111332120初始时：UCCCCCCCCUxx))((3212310C1C3=C2CX，Uo=0测量时UCCjCjCjUCjCjCjUx)(111111332120UCCCCCCCCCCUxx))(()(3212310UCCCCCCUx))((32120传感器与检测技术检测与传感技术2.差动桥（1）初态时：两传感器电容C1=C2=C0，△C1=△C2=△C=0，UCCCCUZZZZUUZZZUUUC21212112212202)(1)(1222111CCjZCCjZ00UUCCU00传感器与检测技术检测与传感技术（1）初态时：两传感器电容C1=C2=C，此时电桥空载输出，即电桥处于平衡状态。（2）工作时：21CC0C00UCCC01CCC02UCCU00工作时传感器两电容值发生等值反向变化，电桥失去平衡；且电容变化量ΔC越大，不平衡电桥输出电压Uo也越大，两者亦呈线性关系。传感器与检测技术检测与传感技术电桥电路特点：1.接高频正弦电源；2.输出阻抗高（一般可达几兆欧到几十兆欧），输出电压低，必须在输出端后接高输入阻抗、高电压放大倍数的集成运算放大器。传感器与检测技术检测与传感技术二、运算放大器测量电路SCUUSCCCZZUUOxxO0000传感器与检测技术检测与传感技术二、运算放大器测量电路21210RioRRRRRiNiXNUUUUUUUUUUUCCUwC0为固定电容，Cx为传感器电容，R1和R2为平衡电阻，Rw为调零电位器iixoUSCUCCU12112100解得传感器与检测技术检测与传感技术三、差动脉冲调宽电路传感器与检测技术检测与传感技术HBPHAPUTTTUUTTTU212211fHHUUUCRTln111fHHUUUCRTln222传感器与检测技术检测与传感技术三、差动脉冲调宽电路HBPHAPUTTTUUTTTU212211fHHUUUCRTln111fHHUUUCRTln222传感器与检测技术检测与传感技术三、差动脉冲调宽电路221122112121CRCRCRCRUTTTTUUUUHHBPAPOHOUCCCCU2121HUCCUO0设21RRRCCC01CCC02若传感器与检测技术检测与传感技术（1）变d型对于变d型差动电容传感器，传感电容的大小与极间距离d成反比，此时HHHoUUUCCCCU21122121C1=C+ΔC，C2=C-ΔC21差动输出电压平均值可改写为传感器与检测技术检测与传感技术（2）变S型对于变S型差动电容传感器，传感电容的大小与极板的有效面积S成正比，即对应于C1=C+ΔC，C2=C－ΔC时，HHHoUSSUSSSSUCCCCU21212121此时差动输出电压平均值可改写为S1=S+ΔS，S2=S－ΔS，传感器与检测技术检测与传感技术3.2.3电容式传感器的误差分析一、温度影响1.温度对结构尺寸的影响温度主要影响传感器的结构尺寸。当温度上升时，电容器极板的面积将增大，极板的厚度增加导致极间距离减小，使电容量增加。补偿措施：选择温度系数小的金属材料作电容器极板；采用差动结构。传感器与检测技术检测与传感技术2、温度对介质介电常数的影响电容器极板间的介值应选择介电常数较稳定的材料，如云母。传感器与检测技术检测与传感技术二、电容电场的边缘效应补措施：增加电容器极板面积、减小极间距离、加装等电位环等。传感器与检测技术检测与传感技术三、寄生与分布电容的影响补偿措施：缩短传感器到测量电路前置级的距离；驱动电缆法；整体屏蔽法传感器与检测技术检测与传感技术3.2.4电容式传感器的应用一、电容式差压变送器测量膜片测量膜片绝缘体固定电极可动电极传感器与检测技术检测与传感技术初态时，可动电极居中02313dddPPLH测量时ddddddPPPLH023013,由于d很小PPPKdLH)(差动输出PdKddddSddSddSddSCCCCHLHL000000传感器与检测技术检测与传感技术二、电容式测微仪hSCX0ioUhSCU12100传感器与检测技术检测与传感技术三、电容式液位计)/ln(212ddhCxx电容式液位计探头结构图