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1、第3章 电容式传感器,3.1 电容式传感器的工作原理 3.2 电容式传感器的测量电路 3.3 电容式传感器的误差分析 3.4 电容式传感器的应用,第3章 电容式传感器,优点：（1）测量范围大、抗过载能力大；（2）灵敏度高；（3）动态响应时间短；（4）机械损失小；（5）结构简单、适应性强；（6）价格低廉等。,缺点：（1）寄生电容影响较大。寄生电容主要指连接电容 极板的导线电容和传感器本身的泄漏电阻。（2）当电容传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。,随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。 应用：压力、位移、厚
2、度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。,3.1 电容式传感器的工作原理,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时， 其电容量C为,S极板相对覆盖面积；d极板间距离； 电容极板间介质的介电常数； 0 真空的介电常数； r介质的相对介电常数；,若S的单位为cm2，d的单位为cm，C的单位为pF，则,由式（3-1）可以看出， ，S，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。
3、所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介质介电常数的变介电常数式。,（31）,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),补充：电容相关知识,平行板电容器,电容器的并联,电容器的串联,一、变面积（S）型,如图（a）是角位移式电容器原理图。当动片有一角位移时，两极板间的覆盖面积S就改变了，因此改变了两极板间的电容量。,显然：电容C 与角位移呈线性关系。,板状线位移变面积型,当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。,电容
4、Cx 与位移x呈线性关系。,此传感器的灵敏度K：,增大初始电容值C0可以提高传感器的灵敏度。但x变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。,同心圆筒形线位移电容式传感器,初始电容C0为：,当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：,二、变介电常数（）型,变介电常数型电容式传感器的结构形式有很多种，大多用来测量电介质的厚度、液位，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的温度、湿度等。,因为各种介质的介电常数不同，若在两电极间充以空气以外的其他介质，使介电常数相应变化时，电容量液随之变化。,（1）单组式厚度传感器,设电容的极
5、板面积为S，间隙为a，当有一厚度为d、相对介电常数为r的固体电介质通过极板间的间隙时，若忽略边缘效应，电容器的电容为,当L=0时，传感器的初始电容,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,（2）单组式 平板形线位移传感器,平板的面积为：L0b0,（3）圆筒式液位传感器,若容器内介质的介电常数为1 ，容器介质上面气体的介电常数为2，当容器内液面变化时，两极板间的电容量C也会变化。,气体介质间的电容量C1为,液体介质间的电容量C2为,总电容量为,可知，传感器的电容量C与液位高度h1成线性关系。,（4）另一种变介电常数的电容传感器，如图。极板间两种
6、介质的厚度分别是d0和d1，则此传感器的电容量等于两个电容C0和C1相串联。,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：,三、变极板间距（d）型,图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 。,设动片2未动时极板间距为d0，板间介质为空气，初始电容为C0，则,当间距d0减小d时，则电容量为,电容的相对变化量为：,电容的变化量C与极板间距变化量d近似
7、成线性关系,（3-9）,若考虑（39）式中线性项和二次项，则,则，相对非线性误差为：,而忽略高次项时有,这种传感器的灵敏度,要提高灵敏度，应减小初始间隙d0，但是减小d0会使非线性误差增大。在实际应用中，常采用差动式电容传感器，并取两电容之差为输出量。,如图，设动片上移d，则C1增大，C2减小，如果C1和C2的初始电容用C0表示，则有,传感器的输出为：,忽略高次项，电容的相对变化为：,相对非线性误差为：,结论：差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差可以减小一个数量级。,3.2 电容式传感器的测量电路,一、等效电路,如图，C为传感器电容，RP为并联电阻，它包括电极间直流电阻和气隙
8、中介质损耗的等效电阻。串联电感L表示传感器各连线端间的总电感。串联电阻RS表示引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和。,等效阻抗,二、测量电路,交流不平衡电桥是电容传感器最基本得一种测量电路，如图。其中一个臂Z1为电容传感器阻抗，另三个臂Z2、Z3、Z4为固定阻抗，E为电源电压（设电源内阻为零），USC为电桥输出电压。,设电桥初始平衡条件为Z1Z4Z2Z3，则USC0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化Z，电桥失去平衡，其输出电压为,（1）交流不平衡电桥,将电桥平衡条件Z1Z4Z2Z3带入上式，整理得,桥臂比A用指数形式表示为,桥臂系数K时桥臂比A的函数，其表达式为,桥臂系数K得模、相角与
9、a的关系曲线，如图P52，图3-9所示。,电容传感器常用交流电桥有四种形式，如图P53，图3-10所示。,在图3-10（a）和（b）中,由图3-9可知,（2）运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图 将Cx = 代入上式得,负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，但实际不是，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。,3.3 电容式传感器的误差分析,一、电容电场的边缘效应,前面对电容传感器工作原理、灵敏度、
10、非线性分析时均未考虑电容极板间电厂的边缘效应。在平行极板的边缘部分，电力线是弯曲的，因而产生附加电容（相当于给传感器并联一个电容），附加电容的存在使得电容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。因此要想办法消除和减小边缘效应的影响。,为了克服边缘效应，应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间距。但增大极板面积，需要更多材料；间距太小，电容容易被击穿并有可能限制测量范围。因此，较好的方法是加装等位环。,等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位
11、环3外周，不影响传感器两极板间电场。,二、寄生与分布电容的影响,传感器除有极板间电容外，极板与周围物体（各种元件、连接导线、人体等）也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。,寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须减小或消除它。可采用的方法有：,（1）增加传感器初始电容值； （2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化； （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术； （5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法。,（1）增加传感器初始电容值 采用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)，增加工作面积或工作长度来
12、增加初始电容值，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。,平行板电容器,（2）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。,（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
13、传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，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）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)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，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10m之远也不影响仪器的性能，如图。,外屏蔽层接大地或接仪器
14、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。对1:1放大器的要求很高：输入电容等于零、输入阻抗无穷大、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。在技术上实现比较困难。另外，当传感器电容很小或与放大器输入电容差不多大时，会引起较大的误差。因此，此线路适用于传感器电容较大的情况。,另一种电路，如图所示，P58，图3-16。传感器电容两端电压为：,带入上式得,为实现电缆芯线与内屏蔽线等电位，则,即，等电位的条件为：,此线路适用于传感器电容较小的情况。,防止和减小外界干扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量
15、电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：,屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。 增加原始电容量，降低容抗。 导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。,3.4 电容式传感器的应用,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频
16、振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01较大的位移， 0.001m。电容式角度和角位移传感器的动态范围为 0.1”至几十度，分辨率约0.1，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为050m、频率为102kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。 下面介绍几种常用电容式传感器的应用。,油量测量,右图其原理图，利用了圆柱型电容传感器。其电
17、容为： 当燃油增大，h2增大，C也增大，即传感器的电容增大；燃油减少，h2减少，C也减小，即传感器的电容减少。这样传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少。,湿度测量,湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。 当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。,电容传声器,传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风
18、，是一种声电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加60200V的极化电压源，一般在专业领域使用较多。,指纹识别,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的成像图：,指纹识别,指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,作业,P6465 3-6，3-7，3-10,