现代检测技术 电容式传感器

一、基本原理和结构类型二、输入－输出特性三、等效电路分析四、测量电路五、电容传感器的一些特殊问题六、电容式传感器的应用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，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件称为电容式传感器。电容式传感器已在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。一、基本原理和结构类型典型的电容式传感器中的电容通常做成平行平面形或平行曲面形。以平行平面电容器为例分析，当极板的集合尺寸（长和宽）远大于极间距离和介质均匀条件下（此时电场的边缘效应可忽略），平行平面电容器电容为dsC式中：——两个极板相互覆盖的面积；——两个极板间的距离；——极板间介质的介电常数（空气或真空的介电常数为）smF1201085.8d由上式可知，电容量取决于、、三个参数，如果让其中一个参数随被测量变化而变化，保持其余两个参数不变，这样就能使电容量与被测量有单值的函数关系，从而把被测量变化转换为电容器电容的变化，这就是电容式传感器的基本工作原理。按被测量所改变的电容器的参数来分，电容式传感器可分为：变极距型、变面积型和变介质型三种类型；按被测位移分，可分为角位移式和线位移式；按组成方式可分为单一式和差动式，按电容极板形状分，与平板电容和圆筒电容或平行平面与平行曲面型。sd二、输入－输出特性⑴变极距型电容式传感器①单一式设初始时，电容值为00/dsC图7-1单一式变极距型电容式传感器当被测量变化使动极板上移时，电容值为000001)1(ddcdddsddsC②差动式图7-2差动式变极距型电容式传感器当动极板位移时，ddd01ddd02利用上式：000001)1(ddcdddsddsC两个电容分别为)1/(01dsdCC)1/(002ddCC由上面两式可得，差动式变极距型电容传感器的差动电容公式为012122121ddddddCCCC③具有固体介质的变极距型电容式传感器图7-3具有固体介质的变极距型电容式传感器电容器的初始电容为2210rddsC如果气隙减小了，电容将增大，变为1d1dCC22110rdddsCC⑵变面积型电容式传感器1.线位移式变面积型：①单一式初始电容在保持d不变的前提下，动极板沿长度方向平移后，则电容量变为)1()(0000llCdllbCdlbC00图7-4单一式线位移式变面积型电容式传感器②差动式图7-5差动式线位移式变面积型电容式传感器)1(001llCC)1(002llCC2.角位移式变面积型（差动结构）①扇形结构图7-6扇形结构角位移式变面积型电容式传感器02202202)(2)(00drRdrRdsCCCBCAC)1()(2)(000221CdrRC)1(002CC02121CCCC初始时后，差动电容分别为所以差动式变面积型电容传感器的差动电容公式为动极板转动②柱面形结构图7-7柱面形结构角位移式变面积型电容式传感器0000rRlrCCCBCAC02121CCCC初始时动极板转动后，差动电容分别为⑶变介质型（差动式）两电容极板之间的介质变化引起电容变化，常见有两种情况：一是两电容极板之间只有一种介质，介质的介电常数随被测非电量（如温度、湿度）而变化，电容式温度传感器和电容式湿度传感器就属于这种情况；二是两电容极板之间有两种介质，两介质的位置或厚度变化，电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器就属于这种情况。1.电容式位移传感器图7-8电容式位移传感器)(200021rdlbCCClllllCCCCrr2112102121初始时固体介质居中，有所以，当固体介质偏离中间位置时，差动电容公式为2.电容液面计图7-9电容液面计1、2——圆柱状极板气体介质间的电容量C2和液体介质间的电容量C1，分别为：总电容量为两电容并联，由上面两式得：rRllrRlCln2ln221222rRlCln2111rRlrRlrRllrRlCCCln2ln2ln2ln22112211112令则上式可写成下列形式：C=A+BL1可见，电容量C与深度L1成比例关系。ArRlln22BrRln221三、等效电路分析⑴等效电路图7-10等效电路⑵引线电感的影响LCCCCCee211如果改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行标定。四、测量电路电容式传感器将位移等非电量转换为电容的变化，为了将电容的变化转换为电压或频率，还须选择适当的接口电路。选择的基本原则是尽可能使输出电压或频率与被测非电量成线性关系。图7-11比例运算法电路⒈比例运算法电路若为恒电压激励电路，应用于单一的变面积式电容传感器时，其特点是输出电压与被测电容Cx成正比将代入上式中得可见，输出电压与被测位移成线性关系。00CCUUxi)1()(0000llCdllbC001llUUil⒉电阻平衡臂交流电桥图7-12电阻平衡交流电桥⒊差动脉冲调宽电路图7-13差动脉冲调宽电路⒋二极管环形电桥a)原理电路b)改进电路图7-14二极管环形电桥⒌调频电路图7-15调频电路五、电容传感器的一些特殊问题⒈用加云母片的办法提高灵敏度⒉电容传感器中一些量的变化范围在电容传感器中，正确选择电容的大小是很重要的。合理的设计既可使传感器满足测量范围的要求，又可以提高灵敏度，减小非线性误差。⒊提高灵敏度的一些措施为了提高电容传感器的灵敏度，减小外界干扰、寄生电容和漏电的影响及减小线性度误差，可采用下列措施：①提高电源频率；②用双层屏蔽线，将电路(例如集成电路)向电容传感器装在一个壳体中，可减小寄生电容和外界干扰的影响；③减小极板厚度可削弱边缘效应。六、电容式传感器的应用⑴电容式测厚仪图7-16电容式厚度测量原理⑵电容式（位移式）差压传感器图7-18电容式差压传感器的两种结构图7-19非导电液位测量1—内电极2—外电极3—绝缘材料⑶电容式物位计①非导电介质的液位测量图7-20导电液位测量②导电介质的液位测量图7-21非导电料位测量1—金属棒内电极2—容器壁③固体料位的测量