传感器与检测技术：电容式传感器

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1、1/36传感技术与智能仪器传感技术与智能仪器第第4章电容式传感器章电容式传感器一、概述一、概述二、工作原理及结构二、工作原理及结构三、存在问题及改进三、存在问题及改进四、测量电路四、测量电路五、应用五、应用2/36第第4章电阻式传感器章电阻式传感器一、概述一、概述利用电容器的原理，将各种被测量转换成电容量。实质上是一利用电容器的原理，将各种被测量转换成电容量。实质上是一个具有可变参数的电容器。个具有可变参数的电容器。被测量被测量：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等和成分含量等平板电容器的电容平板电容器的电容根据被测参数的变化分：根

2、据被测参数的变化分：变极距型电容传感器变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器变介质型电容传感器()dAc类类型型3/36第第4章电容式传感器章电容式传感器二、原理与结构二、原理与结构和两平行平面导体之间的电容量为：式中：极板间介质的相对介电常数；0真空中的介电常数，0=8.85410-12 F/m；S 两极板间相互覆盖面积，m2；两极板之间的距离，m。除0外，、S和三个参数都直接影响电容的大小任意两个恒定，第三个参量就与电容呈单值函数关系0SCeed=(3-13)S4/36第第4章电容式传感器章电容式传感器1.变极距型电容器的传感器5/36第第4章

3、电容式传感器章电容式传感器1.变极距型电容器的传感器2变极距型电容传感器1CC0C-特性曲线C0初始电容量。0CSSSC若：若：200001C C00200rCSCK 000000001LCCeC0减小导致非线性增大容易击穿6/36第第4章电容式传感器章电容式传感器0122/rSC002 CCKd一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间,极板间距离在25200m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。高介电常数材料高介电常数材料差动结构差动结构.)()(1/11302000001ddddddCddCC.)()(1/11302000002dddddd

4、CddCC.)(2)(2250300021ddddddCCCC%100)(%100)/(2)/(220030dddddd抗压，提高线性度抗压，提高线性度7/36第第4章电容式传感器章电容式传感器2.变面积型电容器的传感器SdaxbxaxCC00CC02lnHCD动极板定极板 D H h002lnhhChCCDHCH 8/363 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改

5、变来测量介质材料的的温度温度、湿度湿度等。等。结构形式：结构形式：平板式和圆筒式平板式和圆筒式 平板式按照其用途平板式按照其用途：厚度和位移：厚度和位移n若忽略边缘效应，单组式平板形若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器厚度传感器如下图，传感器的电容量如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为与被厚度的关系为 x厚度传感器C1C2C3C/)(0 xxabC第第4章电容式传感器章电容式传感器非线性关系非线性关系9/36第第4章电容式传感器章电容式传感器n若忽略边缘效应，单组式若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器平板形线位移传感器如下图，传感如下图，传感器的电容量与被位移的关系为器的电容量与被位移

6、的关系为 C1C2C3CC400/)(/)(xxxxlabblC a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x、0 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。l平板平板形形lx线性关系线性关系10/36第第4章电容式传感器章电容式传感器n若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 C1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。h

7、2r12 r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK11/36第第4章电容式传感器章电容式传感器例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872.146.41ln2120maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax12/

8、36第第4章电容式传感器章电容式传感器13/36第第4章电容式传感器章电容式传感器 优点:1.温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强 3.动态响应好 4.可以实现非接触测量三、特点三、特点14/36第第4章电容式传感器章电容式传感器动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的

9、参数，如测量振动、瞬时压力等。15/36第第4章电容式传感器章电容式传感器缺 点：输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 16/36第第4章电容式传感器章电容式传感器1.1.电容式

10、传感器等效电路电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C为传感器本身的电容；Cp为引线电缆及极板与外界所形成的总寄生电容；Rp是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗,其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。Cp和L是主要影响因素。高频时L的影响不可忽略。CCpRpLRs四、存在问题及改进四、存在问题及改进CL高频简化11ej Lj Cj C221/1eeeCCLCCC CCLC工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有

11、电感L的角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。两两点点注注意：意：17/36第第4章电容式传感器章电容式传感器2.边缘效应边缘效应在平行板的边缘部分，由于电力线是弯曲的，因而产生附加电容，在平行板的边缘部分，由于电力线是弯曲的，因而产生附加电容，附加电容的存在使得传感器的灵敏度下降，非线性误差增大，这种附加电容的存在使得传感器的灵敏度下降，非线性误差增大，这种现象称为电容传感器的边缘效应。现象称为电容传感器的边缘效应。带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场解决方法：解决方法：1）增大原始电容，减小边缘效应影）增大原始电容，减小边缘效应影响。响。2）减小电极的

12、厚度）减小电极的厚度h.3)等位环。等位环。18/36第第4章电容式传感器章电容式传感器3.寄生电容寄生电容（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或工作长度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 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。（1 1）增加传感器原始电容值（）增加传感器原始电容值（2 2）注意传感器的接地和屏蔽；）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化（）集

13、成化（4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术（5 5）采用运算放大器法；（）采用运算放大器法；（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄寄生电容生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度；这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。19/36第第4章电容式传感器章电容式传感器（2 2）注意传感器的接地

14、和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图20/36第第4章电容式传感器章电容式传感器（3 3）集成化）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。这样，寄生电容大为减小而且易固定不

15、变固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。（4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能，如图。21/36第第4

16、章电容式传感器章电容式传感器外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。1：1测量电路前置级外 屏 蔽层内 屏 蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图 当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。22/36第第4章电容式传感

17、器章电容式传感器下图是利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容CP的原理图。图中电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点,电缆的屏蔽层接仪器地,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1A)，因而大大地减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上，这是一种不完全的电缆“驱动技术”，结构较简单。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。-AuoCCxu利用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图（5）采用运算放大器法）采用运算放

18、大器法23/36第第4章电容式传感器章电容式传感器 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。下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂 Z3和Z4中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容CP1和CP2分别与Z3和Z4相并联。如果Z3和Z4比CP1和CP2的容抗小得多，则寄生电容CP1和CP2对电桥平衡状态的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A（6）整体屏蔽法）整体屏蔽法24/36第第4章电容式传感器章电容式传感器 最易满足上述要求的是变压器电

19、桥，这时Z3和Z4是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z3和Z4的电流大小基本相等但方向相反。因Z3和Z4在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零，Z3和Z4仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容Cpl和Cp2对Z3和Z4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的平衡。还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容C1和C2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出 1pF的电容。电容式传感器的原始电容值较大（几百pF）时，只要选择

20、适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达10m时，传感器也能正常工作。25/36第第4章电容式传感器章电容式传感器五、测量电路五、测量电路1.电桥电路电桥电路将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻电阻或电容电容或电感电感，也可是变压器的两个二变压器的两个二次线圈次线圈。特点特点：高频交流正弦波供电；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；输出阻抗很高(几M至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗

21、、高放大倍数的处理电路。26/36第第4章电容式传感器章电容式传感器2.2.二极管双二极管双T T形电路形电路正负半周分析：正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1 C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：n该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。n当电容以PF级变化时，输出以V级变化。27/36第第4章电容式传感器章电容式传感器3.3.差动脉冲调宽电

22、路差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G28/36第第4章电容式传感器章电容式传感器tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(

23、b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U029/36UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBAUA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为 rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln设R1R2R，则 rUCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。第第4章电容式传感器章电容式传感器30/36第第4章电容式传感器章电容式传感器 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为 1、2和S1、S2，将

24、平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型差动式变极距型和变面积型变面积型电容式传感器可得 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。EEUSSSSUUU1212021120；31/364.4.运算放大器式电路运算放大器式电路第第4章电容式传感器章电容式传感器12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器

25、）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：特点：n解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题n要求Zi及放大倍数足够大n为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定n由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难32/36第第4章电容式传感器章电容式传感器五、应用五、应用n压力测量压力测量：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器n水分检测：粮食、油水分检测：粮食、油n液位测量液位测量n加速度测量加速度测量n信息认证信息认证n声学测量声学测量33/36第第4章电容式传感器章电容式传感器五、应用五、应用34/36第第4章电容式传感器章电容式传感器五、应用五、应用