电容式传感器

第四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。一、工作原理与类型（一）工作原理用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。SδεSSCr0（二）类型三种基本类型：变极距(变间隙)(δ)型变面积型(S)型变介电常数(εr)型图4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。位移：线位移和角位移两种。极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用。其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。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δ2变极距型电容传感器1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。CC0C-特性曲线C0—极距为最初时的初始电容量。0CSSSC2、变面积型电容传感器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，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1—圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。3、变介电常数型电容传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为δx厚度传感器C1C2C3C//)(0xxabC若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为C1C2C3CC400/)(//)(xxxxlabblCa、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。l平板形lx若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872.146.41ln2120maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax4.3电容式传感器的稳定性问题电容传感器具有高灵敏度和高精度，但稳定性差。所以，必须正确设计、正确选材和采用精细加工工艺。电容传感器的不稳定性主要是电容器本身的固有特性所决定：(1)当温度、湿度变化时，电容值会产生变化。原因是结构尺寸和介质的介电常数随温度和湿度变化而变化。(2)寄生电容的影响。如引线电容和边缘电容等。4．3．1温度对结构尺寸的影晌温度变化导致电容器结构尺寸改变，对变极距式结构更敏感。温度引起的尺寸变化可达数微米量级，从而导致温度误差。从图4.14压力传感器可了解温度误差特性。压力传感器电容由膜片与定极板构成，温度变化时引起极距δ0改变。温度为Δt的改变量为则电容传感器的温度误差为可见，温度误差与组成零件几何尺寸和材料的线胀系数相关。在电容结构设计中，应尽量减少组成环节零件的数目，另一方而应尽量选用线胀系数小的材料。4.3.2温度对介电系数的影响介质的相对介电系数一般随温度而变化，致使电容量改变，造成测量误差。尤其是液位或料位传感器，介电常数变化不可忽略。4.3.3绝缘问题•当绝缘差时，相当于电容上并联了一个漏电阻，当用材料不好时，随温度和湿度漏电阻还剧烈改变．就会严重影响测量精度。4.3.4寄生与边缘效应的影响边缘效应：理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间有些区域勉强是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害,将电场线弯曲现象.(只针对平行板电容器)。考虑边缘效应后，电容量值会增大。边缘电容计算困难，影响实际电容量，带来灵敏度降低，非线性增加。较好办法是设置防护环。防护电极的电位应等于被防护电极的电位。防护电极不仅减小边缘效应，而且会使主电极中的电场均匀。寄生电容：是指除极板外导致并接于电容传感器上的其他附加电容，如外界人体、仪器与极板构成的电容，引线的分布电容等。消除或减小寄生电容影响的方法有：1、缩短传感器至测量线路前置级的距离；集成化2、驱动电缆法（等电位屏蔽法）；采用跟随器使传输电缆的芯线与内层屏蔽层等电位，消除了芯线对内层屏蔽层的杂性漏电，从而消除了寄生电容的影响。3、整体屏蔽法；将整个桥体(包括供电电源及传感电缆在内)用一个统一屏蔽体保护起来。寄生电容C1只影响灵敏度；两个寄生电容C3及C4只影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不妨碍电桥正确工作。因此，寄生参数对传感器电容的影响基本上得到了排除。3.5增加原始电容值，减小寄生电容和漏电的影响电容式传感器原始电容值很小，容易被干扰所掩没。尽量减小原始极距和增大覆盖面积，以增加原始电容值C0值。4.4电容传感器及其应用4.4.1膜片式压力计(a)为计示压力计;(b)为绝对压力计。计示压力计：它测定压力时使用差压式传感器，低压一端为大气压，高压端接测量管道压差即为大气压的倍数。绝对压力计：使用差压传感器，但低压端与真空室连通。4．4．2电容式料位计利用电容间填充物介电系数不同于空气的原理，可测定液体、粉状、小颗粒等的料位。电容表示式为1．并联谐振电路见图4.2l，接线图如图(a)，电感L0与容器空气电容Co构成并联谐振回路。接上高频电压VE时，在f0时，高频电压有最多峰值。当填料后，相当于并联上电容ΔC和电阻R。f0将偏谐到f。则检测回路高频电压(或高频电流)的变化，即可测量料位。2．串联谐振电路4．4．3电容式加速度计4．4．4电容式电子秤将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)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，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。（二）测量电路1、电桥电路特点：①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。2、二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2同理，负半周时电容C1的平均电流:在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成下式：22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在负载RL上产生的电压为212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。3、差动脉冲调宽电路又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路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。右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中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。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路GtuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA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rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln设R1＝R2＝R，则rUCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur—触发器的参考电压。设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。这是十分可贵的性质。在此指出：具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，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。EEUSSSSUUU