1、傳感器原理及應(yīng)用第三章 電容式傳感器3-1 電容式傳感器的工作原理 最簡(jiǎn)單的電容器：用兩金屬板作電極，中間為某種介質(zhì)，若忽略邊緣效應(yīng)時(shí)(Sd) （結(jié)構(gòu)決定電容大?。┢渲校篊 電容量（PF） S 極板間相互覆蓋面積（ ） D 極板間距離（cm） 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（ ） 真空的介電常數(shù) （PF/cm） 介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) ，對(duì)于空氣介質(zhì) 上式也可寫成： 由式可見(jiàn)，在 ，S，d三個(gè)參述中，保持兩個(gè)固定，改變另一參數(shù)就可改變電容C值且為單值函數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回dsdSCr0r006 . 3100rr1r)(6 . 3PFdsCr2cmr 根據(jù)改變參數(shù)不同，電容傳感器一般分三種類型一、變面積（一、

2、變面積（S S）型（多用于檢測(cè)位移）型（多用于檢測(cè)位移）A：角位移式電容傳感器當(dāng)動(dòng)片有一角位移 時(shí)，覆蓋面積S發(fā)生變化，電容C隨之改變當(dāng) 時(shí) S：半圓面積當(dāng) 時(shí) 電容 與角位移 呈線性關(guān)系。靈敏度 ： 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回0)(6 .30PFdsCr0)/1 (6 . 3)/1 (0CdsCr)(輸入輸出KC0CddCKB：線位移式電容傳感器當(dāng) 時(shí) S：初始兩板覆蓋面積當(dāng) 時(shí) 電容 與位移 呈線性關(guān)系靈敏度 對(duì)比上述兩種電容傳感器可得如下結(jié)論：增大C0可提高靈敏度（C0：初始電容）； 或 變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)引起較大非線性誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回dabdsCrr6 . 36 . 30)1

3、 (6 . 3)(0axCdxabCrXacdxdcKx00 x0 xxCxx二、變介電常數(shù)型（二、變介電常數(shù)型（） 因?yàn)椴煌橘|(zhì)的介電常數(shù)不同，若兩極間介質(zhì)發(fā)生變化，則電容C隨之改變。這種傳感器常用于檢測(cè)液面高度，片狀材料的厚度。A：如下圖所示：在液體中放置2個(gè)同心圓柱狀極板，檢測(cè)液面變化。前提條件是該液體不導(dǎo)電，若液體導(dǎo)電則極板需要絕緣。討論如下：設(shè)：1液體介質(zhì)常數(shù) ；氣體介質(zhì)常數(shù) 2該電容可視為兩個(gè)電容器并聯(lián)即 （C1與C2的分界處是液面處） 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1221CCCC1C2極板間兩種介質(zhì)厚度分別是d0（設(shè)為空氣）和d1，則此傳感器的電容等于兩個(gè)電容C0和C1相串聯(lián)，即：結(jié)論：當(dāng)

4、 為空氣，d1不變， 為待測(cè)時(shí)，即是介電常數(shù)測(cè)量?jī)x；若介電常數(shù) 不變時(shí)，d1為待測(cè)時(shí)，即是厚度測(cè)量?jī)x。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回rdddC121021SC1C11011Flash三、變極板間距（三、變極板間距（d d）型）型 如下圖所示：極板1固定，極板2隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，兩極板間距d0變化，引起電容變化。C隨d變化的函數(shù)關(guān)系為雙曲線，如圖示：設(shè)：動(dòng)片未動(dòng)時(shí)，間距為d0，初始電容為C0，若介質(zhì)是空氣 當(dāng)間距減小 時(shí)，電容量變?yōu)椋ㄩg距減小，電容增加）上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1r006 . 3dSCd非線性靈敏度： md100上一頁(yè)下一頁(yè)返 回20dSdddCKr0max)41101(dx電容傳感器實(shí)物：

5、3-2 電容式傳感器的測(cè)量電路一、等效電路：一、等效電路： 傳感器與測(cè)量電路組成一個(gè)完整的應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)。因此，在傳感器與電路之間起連接作用的導(dǎo)線、接線柱、傳感器自身導(dǎo)體部份的電參數(shù)都被加入到測(cè)量回路中，這些參數(shù)將直接影響測(cè)量的結(jié)果，它們包括如下主要內(nèi)容： C：傳感器電容； Rp：并聯(lián)電阻，包括了電極間直流電阻和氣隙中介質(zhì)損耗的等效電阻（電容器內(nèi)部的） L：串聯(lián)電感，各連線端間總電感（外部的） Rs：串聯(lián)電阻，即引線電阻，接線柱電阻，電極板電阻之和（外部與內(nèi)部） 討論如下： 對(duì)于交流電路的分析討論通常以阻抗形式表達(dá)，電路告知我們：電容和電感都是動(dòng)態(tài)電路元件。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回上一頁(yè)下一頁(yè)返 回二

6、、測(cè)量電路二、測(cè)量電路 電容傳感器的電容值一般十分微?。◣灼しㄖ翈资しǎ?，如此微小的電容值不便直接顯示記錄，也不便傳輸。所以須借助于測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓，電流式頻率信號(hào)，下面介紹幾種典型測(cè)量線路：一交流不平衡電橋： 圖所示為交流不平衡電橋： 條件：Z1電容傳感器阻抗 Z2、Z3、Z4固定值阻抗 E內(nèi)阻為零的電源電壓 下面討論輸出端開(kāi)路的情況下，電橋的電壓靈敏度K（均以復(fù)數(shù)形式表達(dá)）。電橋初始平衡條件為： 則輸出: 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回3241ZZZZ0431213ZZZZZZEUSC與書(shū)中公式差一符號(hào)，對(duì)交流電無(wú)影響。當(dāng)Z1有一變化時(shí)，電橋失去平衡，其輸出為Usc ；將平衡條件代

7、入得下式： 令： 為傳感器阻抗相對(duì)變化值 為橋臂比（同一橋臂內(nèi)） 為橋臂系數(shù)則上式改寫成： 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回EZZZZZZZZUsc)(433211EZZZZZZUsc221211)1 ()(1ZZ21/ ZZA222121)1 ()/1 (/AAZZZZKKEEAAUsc2)1 (jaeZZA2121ZZa 21結(jié)論：在E與 一定時(shí)，要使靈敏度盡量高；應(yīng)滿足：（1）橋臂初始阻抗模相等 ,即 ，以使 最大。（2）橋臂初始阻抗相角盡量大，即 盡量大，進(jìn)一部提升 值如果 或 而 時(shí)，則 ，即輸出與輸入同相位 ，沒(méi)有滯后；如果 ， 時(shí)， ，這時(shí)電橋?yàn)橹C振電橋，但橋臂元件必須是純電感和純電容組成。實(shí)

8、際上不可能。由圖3-9b可知：對(duì)于不同的 值， 角隨 變化。當(dāng) 時(shí) ； 時(shí)， 趨于最大值 ，并且 。只有 時(shí)， 值均為零。因此在一般情況下電橋輸出電壓 與電源 之間總有相位差，即 ，只有當(dāng)橋臂阻抗模相等 或 時(shí)，無(wú)論 為何值， 均為零。即輸出電壓 與電源電壓 同相位。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1a1a00r21ZZ 1ak21k1a0180kra1a0rarmrmr0rSCUE0r21ZZ 0arSCUE參照書(shū)第52頁(yè)圖3-9 電橋的電壓靈敏度曲線二二極管環(huán)形檢波電路：上一頁(yè)下一頁(yè)返 回差 動(dòng)ee環(huán)形檢波穩(wěn)幅放大器使0e提供輸出恒壓源恒流源差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 電路如圖示，它由A1，A2比較器，雙穩(wěn)態(tài)

9、觸發(fā)器及電容充、放電回路組成，工作原理為：接通電源：某時(shí)刻雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為上一頁(yè)下一頁(yè)返 回3-3 電容式傳感器的誤差分析 第一節(jié)所討論的傳感器原理均是在理想條件下進(jìn)行，沒(méi)有考慮如溫度，電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，寄生與分布電容等因素的影響，實(shí)際上它們對(duì)精度影響很大，嚴(yán)重時(shí)使傳感器無(wú)法工作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予考慮。一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響：一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響： 由于組成傳感器各材料的溫度膨脹系數(shù)不同，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器各結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化從而引起電容變化。通常 其中：Co傳感器初始電容； 正常測(cè)量時(shí)電容的變化量； 溫度變化產(chǎn)生的增量，是溫度的函數(shù)，即 決定了溫度誤差的大小，討論之：上一頁(yè)下一頁(yè)返

10、回tPOCCCCPCtC)(tfCttC 上式說(shuō)明了溫度誤差與各結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料的關(guān)系，說(shuō)明溫度誤差與傳感器的零件形狀、尺寸、大小及零件材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。設(shè)計(jì)的通常步驟：1選用溫度系數(shù)低材料；2差動(dòng)方式上一頁(yè)下一頁(yè)第三章 電容式傳感器返 回二二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 平板電容器兩極板間電場(chǎng)是均勻分布的，這是理想情況，實(shí)際上在極板邊緣處情況很復(fù)雜，有邊緣效應(yīng)，它對(duì)傳感器的影響相當(dāng)并聯(lián)了個(gè)電容，引起傳感器靈敏度下降和非線性增加。克服方法主要有：增大初始電容，增大面積，減小間距；加裝等位環(huán)，把邊緣效應(yīng)拉出工作區(qū)。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回均勻電場(chǎng)絕緣材料三寄生與分布電容的

11、影響 存在問(wèn)題：傳感器電容值一般都很小，如果激勵(lì)電源頻率較低，則傳感器容抗很大。就要求傳感器絕緣電阻很高。影響傳感器性能。這樣就很容易受外界干擾影響。極板與周圍元件甚至人體間產(chǎn)生電容聯(lián)系，即寄生電容，對(duì)小容值傳感器影響很大。 通常辦法：采用靜電屏蔽措施，將傳感器電容和引線進(jìn)行良好屏蔽與接地。增加初始值等。 采用屏蔽電纜同時(shí)又產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：1屏蔽線本身電容（分布電容、約幾百皮法/米）很大，傳感器的電容才幾十皮法，與傳感器電容形成并聯(lián)，顯著降低靈敏度。2分布電容由于電纜放置位置和形狀不同而有較大變化，這將造成傳感器特性不穩(wěn)定。 解決辦法：采用電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使電纜屏蔽層電位跟蹤電容極板電位，要求二者

12、電位的幅值與相位均相同，以消除屏蔽線的分布電容影響。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回線路一：采用1：1放大器 雙層屏蔽線的內(nèi)屏蔽層接1：1放大器的輸出；1：1放大器的輸入接芯線，即 點(diǎn)對(duì)地電位。使屏蔽層與 點(diǎn)同幅同相以消除分布電容。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回運(yùn)放輸入電容與傳感器電容并聯(lián)，會(huì)引起很大相對(duì)誤差。3-4 電容式傳感器的應(yīng)用 由于采用了諸如上述等技術(shù)，成功解決了電容傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使之得到廣泛的應(yīng)用。如精確測(cè)量位移、厚度、角度、振動(dòng)、力、壓力、壓差、流量、成分、液位等。一、電容式差壓變送器一、電容式差壓變送器 典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖所示：分二室結(jié)構(gòu)和一室結(jié)構(gòu)，其原理一樣，下面以二室結(jié)構(gòu)為例討論。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 特點(diǎn)：1感壓腔充滿溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性高的硅油密封，利用硅油的不可壓縮性和不可流動(dòng)性將壓差傳遞給膜片；2為了獲得良好的線性度，感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)；3變送器輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，方便直觀使用處理方便，常用二極管環(huán)形檢波電路測(cè)量；4動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般0.2-15S(不適合測(cè)動(dòng)態(tài)量) 下面重點(diǎn)討論球平面型變換器的原理.如圖所示（圖3-20a）: 傳感器