第4章电容式传感器概要

现代检测技术主讲教师：王国荣•4.1电容式传感器的工作原理及类型•4.2电容式传感器的灵敏度及非线性•4.3电容式传感器的特点及等效电路•4.4电容式传感器的设计要点•4.5电容式传感器的转换电路•4.6电容式传感器的应用举例第4章电容式传感器优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。第四章电容式传感器电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。§4-1电容式传感器的工作原理与类型工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量一、工作原理第四章电容式传感器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积S；其三为改变两个极板间的距离d。从而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。dSCS式中ε--两个极板间介质的介电常数；S--两个极板相对有效面积；d--两个极板间的距离第四章电容式传感器二、类型根据工作原理，电容式传感器可以有三种基本类型：变极距(或称变间隙）(d)型变面积(S)型变介电常数(ε)型。它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。变极距型——一般用来测微小的位移（小至0.01um～1mm）变面积型——一般用来测量角位移或较大的线位移变介电常数型——常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的湿度、密度等参数。分类示意图c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++第四章电容式传感器1、变极距型电容传感器图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量ΔC为d2变极距型电容传感器1CdC0C-特性曲线dC0—极距为时的初始电容量。dddCddddSdSddSC0（常测微小的位移）变极距型电容传感器结构原理当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。变极距式电容传感器的特性曲线从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1—定极板2—动极板实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。2、变面积型电容传感器变面积型电容传感器结构原理图变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。第四章电容式传感器变面积型电容传感器dΔx设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）)'()'('SSSdSdSSdSdSC式中这类传感器具有良好的线性。可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。①增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。第四章电容式传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数3、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）变介电常数型电容传感器结构原理图第四章电容式传感器xh2r2Rε0ε1类型1：被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。ε1－液体介质介电常数；ε0－空气中介电常数（F/m）；h－电极板总长度（m）；r－内电极板外径（m）；R－外电极板内径（m）；x－液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。01022()lnlnhxCRRrr液面高度类型2：第四章电容式传感器δd面积S气隙0r当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：0rSCddd—运动介质的厚度（m）可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质，如图4-1情况。对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：dsC00dsCCCddsC00)(§4-2电容式传感器的灵敏度及非线性灵敏度k为只有比值d/d0很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。3200001dddddddCdCk•为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离d0，以保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。显然，输出电容∆C与被测量之间是非线性关系。只有当(∆d/d1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为C＝C0(∆d/d)。由于d取值不能大，否则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（1cm至零点几mm），而且∆d最大应小于极板间距d的1/5～1/10。00000/11ddddCdddCC非线性对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：30200001)(ddddddddCC可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。如果电容式传感器输出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被测量∆d就与∆XC成线性关系，不需要满足∆dd这一要求了。在忽略边缘效应时，变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容式传感器具有很好的线性，但实际上由于边缘效应引起极板或极筒间电场分布不均匀，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。采用差动形式，并取两电容之差为输出量∆C40200012ddddddCC一、特点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，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。§4-3电容式传感器的特点及等效电路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．可以实现非接触测量、具有平均效应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，能感受0.001m甚至更小的位移。不足：1．输出阻抗高，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．寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l～2m导线可达800pF)、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，①降低了传感器的灵敏度；②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，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求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。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。电容式传感器的等效电路图中L为电容器及引线电感；R为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；RP为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；C为传感器电容，CP为寄生电容,克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。二、电容传感器等效电路第四章电容式传感器可见在实际应用中，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器有效灵敏度的改变。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。第四章电容式传感器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。§4-4电容式传感器的设计要点1．保证绝缘材料的绝缘性能减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证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和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。电容式传感器的金属电