重庆科创职业学院-传感器与检测技术项目式教学--项目五

任务五 液位检测
基本工作原理 平行极板电容器的电容量为：
C
S
d

0 r S
d
S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电系数； d——两平行极板间的距离，单位为m； ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数.
◆由式(4-4)还可以看出，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。
为防止击穿或短路，极板间可采用高介电 常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其 击穿电压不小于1000 kV/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。同时传感器的输出 特性的线性度得到改善。 一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20～ 30 pF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。
bx b(l x)
1 2 bx b(l x) x C CA CB C0 (1 ) d1 d 2 d1 d 2 l d1 1 1 2 1 d2 2
1
(3-1-7)
式（3-7）表明，电容量C与位移x呈线性关系。
电容式传感器 电容式接近开关 被测物体 感应电极
C
c)
A(1
) C (1 ) 0 (3-1-3) d
(3) 图3.1.3b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面 积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动△x后，其电容量 nb(a x) b 为 C n(C x)
d
0
d
C C nC0 n
4.3 特点及应用中存在的问 题
在这种情况下，每当改变激励频率 或者更换传输电缆时都必须对测量 系统重新进行标定。
4.3 特点及应用中存在的问 2．边缘效应 题 以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。
实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应 的影响就不能忽略。这时对极板半径为r的变极距型电 容传感器，其电容值应按下式计算：
Δx x
当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化， 电容量也随之改变，其值为
C=єb（a-△x）/d=C0-єb·△x/d 电容因位移而产生的变化量为
C C C0
（3-1-2）
x a
b
b
d
d
a
图3.1.2 直线位移型 电容式传感器
x C0
其灵敏度为
K
C b x d
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。
振荡电路
被测电容
4.3 特点及应用中存在的问 电容式传感器的特点
1．优点： ●温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选 择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性 甚微。而电阻传感器有电阻，供电后产生热量；电感式 传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度， 可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在 高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大 的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超 高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。
4.3 特点及应用中存在的问 题
图4-11 带有保护环的电容传感器原理图
4.3 特点及应用中存在的问 3．静电引力 电容式传感器两极板间存在静电场，因而有静电引力或 题 力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、
• 为消除极板的边缘效应影响,可采用如下图所示保护环. • 保护环与极板具有同一电位,,就把电极板间的边缘效 应移到了保护环与极板2的边缘,极板1与极板2之间的场 强分布变的均匀了.
1
2
3 加保护环消除极板边缘电场的不均匀性
1----极板 1
2----保护环
3----极板2
变面积式电容传感器
(1)图3.1.2是一直线位移型电容式传感器的 示意图。
Rs L Rg Cp C0
图4-8 电容式传感器的等效电路
4.3 特点及应用中存在的问 图中L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感； C0为传感器本身的电容； 题
Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总 寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的 关键之一； Rg为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗； Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组它包 含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。
(d ) d 02
0 2
(4 3)
C C0 C0
此时C与Δd呈近似线性关系，所以变极距型电容式传感
d0
(4 4)
器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。
d C C0 d
1 C C0 K d d
4.1电容式传感器的工作原理和 结构
图4-2 电容量与极板间距离的关系
(3-1-3) 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。
变面积型电容传感器 角位移变面积型
x x
x θ a) b)
图3.1.3 变面积式电容传感器的派生型
a)角位移型 b)齿形极板型 c)圆筒型
(2)图3.1.3a是角位移型电容式 传感器。当动片有一角位移时， 两极板间覆盖面积就发生变化， 从而导致电容量的变化，此时 电容值为
电容式传感器变极距(d）型: (a)、(e)
变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、 (f)、(g) 、（h）
变介电常数(ε )型: （i）～(l)
变极距型电容传感器
4.1电容式传感器的工作原理和
结构
下图为变极距型电容式传感器的原 理图。当传感器的εr和A为常数，初 始极距为d0时，其初始电容量 为：
4.3 特点及应用中存在的问 题
4.3 特点及应用中存在的问 题 2．缺点
●输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般 只有几个皮法到几百皮法，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 6 8 达 10～ 10Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干 扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。
105 N
4.3 特点及应用中存在的问 题
4.3 特点及应用中存在的问 题
●可以实现非接触测量，具有平均效应 例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的 径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平 均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的 静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测 极低的压力、力和很小的加速度、位移等。 可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01μm 甚至更小的 位移。 由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式 时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使 仪器具有很高的灵敏度。
C0
C0
0 r A
d0
变极距型电容传感器原理图
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大 d ΔC，则有 C (1 )
0
4.1电容式传感器的工作原理和 结构 d A
C C0 C
0 r
d 0 d

1
由式(4-3)知传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系，而 是如图4-2所示的曲线关系。 (d ) 2 1 在式(4-3)中，当 d d 0 1 时， 2 1，则上式可 d0 简化为： d
题
●动态响应好 电容式传感器带电极板间的静电引力很小(约几个 ), 需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很 小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应 时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态 测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此 系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。
低频时，传感器电容的阻抗非常大，L和Rs的影响可忽 略；等效电容Ce=C0+Cp；等效电阻Re≈Rg 。低频等效 电路如下图所示。 高频时，电容的阻抗变小，L和Rs的影响不可忽略，漏 电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而Re≈Rs。高频等 效电路如下图所示。
L
4.3 特点及应用中存在的问 题
A
d
r
变极距型电容式传感器
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
定极板 动极板
S d1 d 2 d 0 C0 d0 动极板上移：
C1 d1 C2 d2
d 1 d 0 d , d 2 d 0 d 定极板 S d
C1 d 0 d C 0 C0 d0
S d C2 C 0 C0 d 0 d d0
电容量的相对变化为 ：
C d 2 C0 d0
2C0 d C C1 C 2 d0
灵敏度： K C 2 C 0
d d0
提高一倍
C
0 A
驻极体电容传声器
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材 料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取 代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。 特点是体积小、性能优越、使用方便。
b
d
x
其灵敏度为
K
C b n x d
由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器 的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。
变介电常数式电容传感器
当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类 传感器的结构形式有很多多种，图3.1.5为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来 测量物位或液位，也可测量位移。 由图中可以看出，此时传感器的电容量为 C C A CB ；其中：C A d1 / 1 d 2 / 2 ; C B (d1 d 2 ) / 1 bl C0 1 设极板间无ε 2介质时的电容量为： d1 d 2 ；当ε 2介质插入两极板间则有：