传感器第三章 电容式传感器..ppt

第三章 电容式传感器 第一节 电容式传感器的工作原理和 结构 第二节 误差的因素及改进措施 第三节 电容式传感器的测量电路 第四节 电容传感器的应用举例 内容提要 学习目标 掌握电容传感器类型及各种类型的工作原 理；了解输出特性及减少线性误差的措施；了 解误差的影响因素及改进措施 ；掌握各种测 量电路及工作原理；熟悉电容传感器应用 第三章 电容式传感器 电容元件电容元件 非电量非电量电容量变化电容量变化 应用：应用：测量力、压力、位移、振动、液位、湿度、测量力、压力、位移、振动、液位、湿度、 成分含量等场合成分含量等场合 特点：特点：结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响 应特性好、适应性强、价格低廉、并能进行非接触应特性好、适应性强、价格低廉、并能进行非接触 测量 第三章 电容式传感器 第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理 1、变极距型电容传感器 2、变面积型电容传感器 3、变介质型电容式传感器 二、差动式电容传感器 1、变面积型差动电容传感器 2、变极距型差动电容传感器 三、电容传感器输出特性 四、电容传感器等效电路 第三章 电容式传感器 一、基本工作原理 平板电容器，其电容量为 ： ε: 电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr ε0 : 真空介电常数 εr: 极板间介质的相对介电常数； A: 两平行板所覆盖的面积； ￿￿ d: 两平行板之间的距离。

第三章 电容式传感器 Δd Δd ΔA εr ε1 A—面积，称变面积型传感器 d—距离，称变极距型传感器 —介质，称变介质型传感器 类型类型 第三章 电容式传感器 1、变极距型电容传感器 初始电容量为 电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增 大了ΔC，则有￿￿ d 1-定极板 2-动极板 变极距变极距 第三章 电容式传感器 电容量与极板间 距离之间的关系 若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则： 此时C与Δd近似呈线性关系， 所以变极距型电容式传感器往往 设计成在Δd极小范围内变化 传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为： 第三章 电容式传感器 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 C0——20~30pF之间￿￿ d0——25~200μm 的范围内￿￿ Δd—小于间距的1/10 测微仪测微仪 返回 第三章 电容式传感器 电容式传声器（电容式传声器（MicrophoneMicrophone）） 电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金 属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产 生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与 极板所构成电容器的量就发生变化。

极板上的电荷随之变化 ，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压 输出，从而完成了声音信号与电信号的转换 举例1 第三章 电容式传感器 举例1电容式传声器（电容式传声器（MicrophoneMicrophone）） 噪声动画噪声动画 第三章 电容式传感器 2、变面积型电容传感器 （1）直线位移型 当动极板相对于定极板沿长 度方向平移Δx时，则电容为 ΔC与Δx呈线性关系 第三章 电容式传感器 (2) 角位移型 当θ=0时，则 当θ≠0时， 则 C与角位移θ呈线性关系 第三章 电容式传感器 双联电容器——变面积的电容传感器 当顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动 片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电 容量C也就越来越小，谐振频率也随之改变 深度角度深度角度 第三章 电容式传感器 （3）、圆柱型电容传感器 圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆圆柱型，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盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化 第三章 电容式传感器 初始电容初始电容 C C0 0 为：为： 当内筒上移x时，内 外筒间的电容C1为： D1 D0 L x 与与x x成线性关系成线性关系 返回 第三章 电容式传感器 ε1 CB l d2 d1 ε2 x CA CACBC 3、变介质型电容式传感器 (1)单组式平板线位移变介质型 第三章 电容式传感器 电容变化量与电介质移动量 x 呈线性关系。

第三章 电容式传感器 (2) 并联柱面结构 用于测量液位高低设被 测介质的介电常数为ε1，液面 高度为h, 变换器总高度为H， 内筒外径为d，外筒内径为D C C2 2 C C1 1 C C 第三章 电容式传感器 电容增量正比于被测液位高度h 第三章 电容式传感器 液位计液位计 返回 (3) 并联平面板结构 电容增量正比于被测液位高度x 第三章 电容式传感器 二、差动式电容传感器 1、变面积型差动电容传感器 （1）平面板结构直线位移型 位移x 4 a 定极板 动极板 动态时 ： 静态时 ： 第三章 电容式传感器 （2）圆柱面结构直线位移型 静态时 ： 动态时 ： 返回 第三章 电容式传感器 （3）平面扇形变面积角位移结构 静态时 ： 动态时 ： 第三章 电容式传感器 2、变极距型差动电容传感器 定片 动片 压力传感器压力传感器 动态时 ： 静态时 ： 两极板对应的面积为 A 第三章 电容式传感器 变极距（d）型 变面积（A）型 变面积（A）型 变面积（A）型 变极距（d）型 变面积（A）型 变面积（A）型 变面积（A）型 变介电常数型 变介电常数型 变介电常数型 变介电常数型 第三章 电容式传感器 三、电容传感器输出特性 在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电 容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为 d0+Δd, 则 第三章 电容式传感器 在Δd/d0<<1时, 按级数展开得 电容值总的变化量为 第三章 电容式传感器 电容值相对变化量为 略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成线性关系： 传感器的灵敏度为： 考虑ΔC/C0式中的线性项和三次项, 得到相对非线性 误差r近似为 ： 第三章 电容式传感器 非差动型平行板电容传感器相对变化量为 当|Δd/d0|<<1时，上式可按级数展开，可得 第三章 电容式传感器 只考虑线性项与二次项， 则 由此可得出传感器的相对非线性误差r为 当|Δd/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的线性关 系， 如下式所示： 第三章 电容式传感器 提高一倍提高一倍 减小减小 差动连接： 单边连接 第三章 电容式传感器 灵敏度是单边的2倍； 非线性误差也大大减小了； 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。

差动与单边对比差动与单边对比 返回 第三章 电容式传感器 四、电容传感器等效电路 L —包括电容器本身的电感和引线电缆的电感； Rs —由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； Rp —是极板间泄漏电阻和极板间的介质损耗 CP — 寄生电容 低频时影响较大 ，随频率增高容 抗减小，其影响 就减弱 第三章 电容式传感器 低频等效电路 u传感器电容的阻抗非常大，L和Rs的影响可忽略 u等效电容Ce=C+Cp， u等效电阻Re≈Rp RP （a） Ce 第三章 电容式传感器 高频等效电路 电容的阻抗变小，L和Rs的影响不可忽略，漏电的影 响Rp可忽略 ，其中Ce=C+Cp，而Re≈ Rs Rs L Ce （b） 第三章 电容式传感器 第二节 误差的因素及改进措施 一、温度对电容器结构尺寸的影响 二、寄生电容与分布电容的影响 三、外界干扰的影响 四、温度对介质的介电常数的影响 五、漏电阻的影响 第三章 电容式传感器 1、温度对电容器结构尺寸的影响 L ：初始时绝缘材料的厚度 ：初始时固定极板的厚度 ：初始时空气隙的厚度 ：初始时两极板的总间隙 第三章 电容式传感器 设设初始温度为为 时时，电电容传传感器工作极片与固 定极片间间隙及初始电电容为为： 环环境温度变变化后 气隙厚度变为变为 ： 式中， 分别为传别为传 感器各零件所用材 料的温度线线膨胀胀系数。

第三章 电容式传感器 则 电容量相对误差为： 温度补偿补偿 第三章 电容式传感器 经整理得 ： 则则 在设计电设计电 容传传感器时时，应应首先根据合理的初始 电电容量决定间间隙 ，然后根据材料的线线膨胀胀系数选选 择择材料的 合适尺寸，满满足温度补偿补偿 条件的要求，达到温度补偿补偿 的作用 第三章 电容式传感器 二、寄生电容与分布电容的影响 寄生电容：电容极板与周围物体（各种组建甚至 人体）所产生的电容 分布电容：电容传感器引线电缆引起的电容 (l～ 2m导线可达800pF) 干扰电容：寄生电容与分布电容统称 第三章 电容式传感器 （1）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2 —0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工 作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精 度、示值范围、击穿电压、结构等限制一般电容值 变化在 10-3—103 pF范围内，相对值变化在 10-6—1 范围内 （2）注意传感器的接地和屏蔽； 第三章 电容式传感器 （3）集成化:将传感器与测量电路本身或其前置 级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。

（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术: 传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆. （5）整体屏蔽法:将电容式传感器和所采用的转 换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正 确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的 干扰 第三章 电容式传感器 三、外界干扰的影响 1、屏蔽和接地用良导体作传感器壳体，将传 感器元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线 彼此绝缘（即屏蔽电缆），金属网可靠接地；用双层 屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠接地；传感器 与测量电路前置级一起装在较好的屏蔽壳体内并可靠 接地等等 2、增加原始电容值，以降低容抗，减小被干扰 电容淹没的危险 第三章 电容式传感器 3、减小导线间的分布电容的静电感应，因此 导线与导线之间远离，距离尽可能短，最好成直 角排列，必须平行排列时可采用屏蔽电缆线 4、减少接地点，尽可能一点接地，地线要用 较粗的良导体或宽印制线 5、尽量采用差动式电容传感器，可提高传 感器灵敏度，减小非线性误差 第三章 电容式传感器 四、温度对介质的介电常数的影响 原因：某些介质的介电常数也存在温度系数； 消除方法：采用介电常数温度系数为零的空气或云 母作为介质，或在测量电路中进行温度补偿。

但要 完全补偿是困难的 第三章 电容式传感器 五、漏电阻的影响 电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低 时，容抗更高如果两极板之间的漏电阻与此容抗 相接近时，就必须考虑分路作用对系统灵敏度的影 响它将使传感器的灵敏度下降 消除方法：选用绝缘性能很好的陶瓷、石英、 聚四氟乙烯等材料作为两极板之间的支架，可大大 提高两极板之间的漏电阻当然，适当的提高激励 电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求 第三章 电容式传感器 第三节 电容式传感器的测量电路 一、调频电路 二、运算放大器式电路 三、二极管双T型交流电桥 四、脉冲宽度调制电路 电容式 传感器 测量电路 被测量 U U、、I I、、f f电容 第三章 电容式传感器 一、调频电路 。