电容传感器

第5章电容传感器被测量改变介电常数ε改变极板面积S改变极板距离d变间隙式变面积式变介电系数式用于液位、物位、压力、差压、湿度、位移、厚度、振动、加速度及荷重等多种参数的检测。5.1电容传感器的工作原理5.2电容传感器的测量电路5.3电容传感器的应用5.1电容传感器的工作原理变换原理: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:AC0+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。电容传感器可分为三种类型：变间隙式、变面积式、变介电常数式。5.1.1改变极板间距d的电容传感器5.1.2改变极板面积S的电容传感器5.1.3改变极板介电常数的电容传感器5.1.4电容式传感器的等效电路几种不同的电容式传感器的原理结构图•（a）（b）为变极距型；•（c）（d）（f）为变面积型；•（g）（h）为变介电常数型。•（a）（b）（c）（e）是线位移传感器；•（d）是角位移传感器；（b）（f）是差动式电容传感器。5.1.1改变极板间距d的电容传感器极距δ变化型+++AC0+++极间距离为d0的初始电容量为：极板间距变化了Δd后：当Δd＜＜d0时所以——呈线性关系，灵敏度讨论：①d0越小灵敏度越高，但过小容易引起电容击穿，d0在0.1～0.2mm范围内，C0在20～100pF之间；②d0过小，Δd2/d02就不能远远小于1而被忽略，非线性增大。③d0过大，电容的泄漏增大，灵敏度降低。解决方法???在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易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,此时电容C000ddAcgg式中:εg——云母的相对介电常数,εg=7;ε0——空气的介电常数,ε0=1;d0——空气隙厚度;dg——云母片的厚度。解决方法1——采用高介电常数的材料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。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,(dg/ε0εg)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。解决方法2——采用差动式结构两个电容器共用一个动极板，当被测参数的变化使动极板产生位移后，C1和C2成差动变化。面积变化型AC0角位移型+++5.1.2改变极板面积S的电容传感器AC0平面线位移型柱面线位移型.AC0当θ≠0时：改变极板面积S的电容传感器当θ=0时：介质变化型AC05.1.3改变极板介电常数的电容传感器变介质型电容传感器有较多的结构型式,可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动,极距为d0,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。传感器总电容量C为式中:L0,b0——极板长度和宽度;L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容C0=ε0εr１L0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,引起电容的相对变化为0020000021)(1dLbdLLbcccrr0000)1(2LLcccccr可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。5.1.4电容式传感器的等效电路图(a)中C是传感器电容，RP是并联电阻，它包括了电极间漏电阻和气隙中介质损耗的等效电阻。L表示各连线端间总电感，RS由引线电阻，极板电阻和支架电阻组成。在大多数情况下，由于使用环境温度不很高、湿度不很大，若供电电源频率较合适，设计合理，则可用一个纯电容来代表。但当供电电源频率较低或在高湿度环境条件下使用时，由于容抗大，RS和L可以忽略，但传感器电极间的漏电阻不能忽略，这时传感器可等效成图(b)所示的电路。随着供电电源频率增高，传感器容抗减小，可以忽略并联电阻，但电流趋肤效应使导体电阻增加，必须考虑传输线（一般为电缆）的电感和电阻，这时等效电路如图(c)所示，该等效电路的谐振频率通常为几十MHz，供电电源频率必须低于谐振频率，一般为谐振频率的1/3-1/2，传感器才能工作。5.2电容式传感器的测量电路1.调频电路2.运算放大器式电路3.二极管双T型交流电桥4.脉冲宽度调制电路1.调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。21)(21LCf式中:L——振荡回路的电感;C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。其中,C1为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容;C0±ΔC为传感器的电容。虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频振荡器的振荡频率为当被测信号为0时,ΔC=0,则C=C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有频率f0,f0=21021])[(21LCCC当被测信号不为0时,ΔC≠0,振荡器频率有相应变化,此时频率为调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控。ffLccccf021021])[(212.运算放大器的放大倍数K非常大,而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。运算放大器式电路原理图Cx为电容式传感器,是交流电源电压,是输出信号电压,Σ是虚地点。由运算放大器工作原理可得iU0U3.二极管双T型交流电桥e是高频电源,它提供幅值为Ui的对称方波,VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管,R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时,C1=C2。电路工作原理如下:当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I1。在负半周内,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时,C2通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件,则电流I1=I2,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。若传感器输入不为0,则C1≠C2,那么I1≠I2,此时RL上必定有信号输出。4.脉冲宽度调制电路图中C1、C2为差动式电容传感器,电阻R1=R2,A1、A2为比较器。当双稳态触发器处于某一状态,Q=1,=0,A点高电位通过R1对C1充电,时间常数为τ1=R1C1,直至F点电位高于参比电位Ur,比较器A1输出正跳变信号。与此同时,因=0,电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转,使Q=0,=1,于是A点为低电位,C1通过VD1迅速放电,而B点高电位通过R2对C2充电,时间常数为τ2=R2C2,直至G点电位高于参比电位Ur。当差动电容器的C1=C2时,其平均电压值为零。当差动电容C1≠C2,其平均电压值不为零。QQQ5.3电容传感器的应用5.3.1电容传感器的优缺点5.3.2应用举例5.3.1电容传感器的优缺点1．优点：（1）需要的作用能量低。（2）可获得较大的相对变化量。（3）能在恶劣的环境条件下工作。（4）本身发热的影响小。（5）动态响应快。2．缺点：（1）输出特性的非线性。（2）泄漏电容的影响。（3）易受外界电场的干扰。5.3.2应用举例1.液位检测当H=0时为空容器，则有2.位移测量电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。3.电容式听诊器原理绷紧的膜片受声压的作用使间隙δ发生变化，从而改变了极板间的电容。4.电容式荷重传感器当钢块承受重量时，将使圆孔变形，每个孔的电容极板间距变小，其电容相应地增大。5.电容式压力传感器电容式压力传感器图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。6.电容式加速度传感器有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。7.温度测量介电常数随着温度变化而变化。（钛酸钡）8.静电喷涂静电场应用