传感技术 第4章 电容式传感器

第4章电容式传感器2特点和应用中存在的问题1.2第4章电容式传感器工作原理、结构和特性4.14.2测量电路4.3电容式传感器及其应用4.43电容式传感器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、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路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44.1工作原理、结构和特性由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0(8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关：(4-1)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、变面积型和变介质型三种类型。C=ε0εrA/δ54.1工作原理、结构和特性当传感器的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6当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ时，电容量增大ΔC,则有(4-3)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(4-4)如果满足条件(Δδ0/δ0)1，式(4-4)可按级数展开成(4-5)4.1工作原理、结构和特性00000//1/rCCCAC1000/1CC2300000/1CC74.1工作原理、结构和特性略去高次(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)中的线性项及二次项，则000/1CC20000///rSCCA00/CC(4-6)(4-7)(4-8)8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ef为4.1工作原理、结构和特性94.1工作原理、结构和特性由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ/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，故在微位移检测中应用最广。2000/100%100%fe(4-9)104.1工作原理、结构和特性由式(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或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质。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:0122/rAC(4-10)114.1工作原理、结构和特性云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输出特性的线性度得到改善。124.1工作原理、结构和特性动极板置于两定极板之间。初始位置时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容相等。当动极板向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；两组电容一增一减。动极板定极板定极板C1δ1C2δ2134.1工作原理、结构和特性同差动式自感传感器式(3-41)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)略去高次项，可得近似的线性关系00/2CC(4-12)提高一倍144.1工作原理、结构和特性相对非线性误差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，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。减小154.1工作原理、结构和特性4.1.2变面积型电容传感器中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式164.1工作原理、结构和特性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。1)板状线位移型17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、结构和特性设动极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则电容为00000rllbCCC(4-14)18这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，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，可以使用中间极移动的结构。(4-16)4.1工作原理、结构和特性192)角位移型4.1工作原理、结构和特性20当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则00ACd当θ≠0时，则000(1)ACCCd0CC线性4.1工作原理、结构和特性213)筒状电容传感器4.1工作原理、结构和特性圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化。22Rr0ll)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1(00llC00llCC线性4.1工作原理、结构和特性234.1工作原理、结构和特性角位移测量用的差动式典型结构如图: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。4)差动结构(a)扇型平板结构(b)柱面结构244.1工作原理、结构和特性022000)(rRCCrBCAC0220)(2rRCCCrBCACrRlrCCrBCAC000rRlrCCCrBCAC02①扇形平板结构ABCROr②柱面型结构rACBORl254.1工作原理、结构和特性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。(4-19)lllbCCCrr20100021)(4.1.3变介质型电容传感器电介质插入式26若电介质一为空气(εr1＝1)，当ｌ＝0时传感器的初始电容；当介质二进入极间ｌ后引起电容的相对变化为(4-20)可见，电容的变化与电介质二的移动量ｌ成线型关系。llCCCCCr02000100000/blCr14.1工作原理、结构和特性274.1工作原理、结构和特性上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。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ｌ。284.1工作原理、结构和特性电容式传感器的结构形式294.1工作原理、结构和特性电容式传感器的结构形式304.1工作原理、结构和特性电容式传感器的结构形式314.2特点和应用中存在的问题1.优点：Ⅰ.温度稳定性好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等，易发热产生零漂。4.2.1特点32Ⅱ.结构简单结构简单，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特点和应用中存在的问题33Ⅳ.可以非接触测量，具有平均效应例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。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。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01μm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。4.2特点和应用中存在的问题342.缺点Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，其值只有几个皮法，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108～106Ω。因此传感器的负载能力很差，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极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。4.2特点和应用中存在的问题35若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。Ⅱ.寄生电容影响大电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1～2m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。4.2特点和应用中存在的问题36随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。电容式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地传感器。4.2特点和应用中存在的问题374.2.2应用中存在的问题1.等效电路上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4.9所示。图4.9电容传感器的等效电路4.2特点和应用中存在的问题38图中C为传感器电容，Rp为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；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，下面专门讨论。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容LCCCe2122)1(LCSSe(4-21)(4-22)变化，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