电容式传感器

③寄生电容大
应用： 可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、
流量的测量 。
一、 电容式传感器的工作原理及分类
在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为 C r0 A
d
C —电容量； d —两平行极板间的距离；
r —介质的相对介电常数；
0 —真空的介电常数，
=8.85×10-12F/m； A —极板面积。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
在分母中加上dy/εy这一恒定 值后，特性的线性度也得到了改 善。
C
dy
A
d0
y
（2）为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动电容式传 感器，如图5-6所示。
中间为动片，上下为定片，当动片向上移动△d时，则有 （C1、C2的初始电容用C0来表示）
C1 C0 C1
则移动△d后
d1 d0 d
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅（下电极） 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅（上电极）
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构 。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2 。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是 一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当 于悬臂梁。
1、特点： 1）温度稳定性好
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，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。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
★一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5-10倍。
（2）变压器电桥
图中C1和C2是差动电容传感器的两个电容，分别作为电桥的两 个桥臂，该桥臂的阻抗 Z1 1 jC1 ，Z 2 1 j。C2 但其电桥的另两个 桥臂是相同的固定电感，为变压器的两个次级线圈，显然这两个 线圈应严格对称。
电桥的输出电压为
2、变面积型板状线位移传感器 如图5-7所示，当动极板沿箭头所示的方向移动x时，其电容
量为
Cx
bl
d0
x
C
0
1
x l
传感器的灵敏度为
K dCx b
dx
d0
传感器的输出呈线性，增大b减小d0，可提高灵敏度，但是b 值的增大受结构的限制。
而d值也不可能太小，否则有可能引起电容的击穿或短路，同 时加工难度加大。
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
因此应尽量消除和减小它。
★具体措施有：
①减小极间距（适当），使极径与间距比很大， 可减小边
C2 C0 C2
d2 d0 d
C1
C0
C1
0A
d0 d
0A
d0 1 d
d
0
1
C0 d
d0
C2
C0
C2
0A
d0 d
0A
d0 1 d
d0
1
C0 d
d0
当 d d 0 <<1，所以按级数展开可写成
C1
C
0
1
d d0
d d0
2
d d0
3
电容量的变化为
C2
C0 1
表5-1 几种介质的相对介电常数
C
C1
C2
2πl l1 0 lnR r
2πl11
lnR r
2πl
ln R
0
r
2πl1
lnR r
1
0
传感器的灵敏度为
K
dC dl1
2π1 0 ln R r
三、 电容式传感器的等效电路
图中：C——传感器电容；
CP——寄生电容；
RP——并联损耗电阻，它包括电极间直流 电阻和气隙中介质损耗的等效电阻；
②增加原始电容值、降低容抗； ③导线与导线要离的较远； ④尽可能一点接地。 5.尽量采用差动式电容传感器，可以减小非线性，提高灵敏度， 减小寄生电容和减小干扰。
寄生电容 消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。 消灭寄生电容的方法： ①Baidu Nhomakorabea驱动电缆法 等电位屏蔽法
1
Cx
② 整体屏蔽法
C3 U
C4
端，为交流电桥提供电源电压。
BD端为交流电桥的电压输出端，交流电桥的输出电压是一个 调幅的载波信号，其频率为载波频率，而幅度受被测信号的调 制，此信号经交流放大器放大和相敏检波后，得到一个与被测 信号变化规律相同的电信号，该信号最后经低通滤波器去除残 余载波得到输出电压 U sc 。
★要求电桥放大器的输入阻抗很高
U sc
UZ 2 Z2 Z1
U 2
U 2
Z Z
2 2
Z1 Z1
将阻抗表达式代入上式得
U sc
U 2
C1 C1
C2 C2
当动极板移动x时，因有
C1
A
d0
x
,C2
A
d0
x
则有
U sc
U 2
x d0
2.运算放大器式电路 1）优点：改善单个变极距型电容式传感器特性的非线 性关系 2）原理：如图所示
寄生电容与传感器的电容相并联，影响传感器灵敏度，而它 的变化则影响了仪器的精度，必须消除和减小它，可采取：
①增加原始电容值，可减小寄生电容的影响； ②注意传感器的接地和屏蔽； ③将传感器与电子线路的前置放大器装在一个壳内； ④采用“驱动电缆”技术（加放大器）；
⑤采用运算放大器等； ⑥整体屏蔽。 4.防止和减小外干扰 措施：①屏蔽与接地；
L——为传感器本身的电感及外部引线电感 组成；
RS——串联损耗电阻，由引线电阻、金属接 线柱电阻及电容极板电阻组成。
由等效电路可知，传感器有一谐振频率，当工作频率等于 或接近于谐振频率时，电容传感器将不能正常工作，因此选择 的工作频率应低于谐振频率，此时，电容的实际相对变化量为
CE C / C
C 1 2 LC
在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学 量转换成d或 A的变化，从而转换成电容量的变化。
边缘效应： 1）边缘效应产生的原因： 2）产生的后果：边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。
3）消除边缘效应的方法： 应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极
板间距。 也可采用等位环的方法，如图所示。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
1、电桥电路
电桥电路是采用最多的一种测量电路，有阻容电桥、变压器 电桥、双T电桥等。
（1）阻容电桥
C1和C2是差动电容传感器的两个电容，分别作为电桥的两个 桥臂。如果是只有一个电容C1变化的传感器，则C2应配备一固定 电容，电桥的另两个桥臂是相同的固定电阻。
振荡器产生一个等幅高频交流电压 U，加在交流电桥的AC
C C0
d d0
1
d d0
d d0
2
略去非线性项，有
C d C0 d0
所以灵敏度为
K
C d
C0 d0
r
0A
1
d
2 0
在 d 条1 件下，电容的变化量△C与极板间距变化量
d0
△d近似呈线性关系。
一般取 d /d 0 0.02 ~ 0.1
略去二次方以上各项，测得
C C
d d0
1
d d0
设定按钮
液位限位传感器的设定
智能化液位传感器的设定方法 十分简单：
用手指压住设定按钮，当液位 达到设定值时，放开按钮，智能 仪器就记住该设定。正常使用时 ，当水位高于该点后，即可发出 报警信号和控制信号。
智能化液位限位传感器的设定按钮
正常工作指 示灯
电源 指 示灯
超限灯
设定按钮
硅微加工加速度传感器原理
缘效应，但易产生击穿现象。
②使电极做得很薄。
③可以设置等位环来消除边缘效应。
d
保护环
极板
间隙
但应该指出，边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器 原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但 这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性（边缘效应将使灵敏度 下降）。 3.消除或减小寄生电容的影响
3）消除边缘效应的方法：
应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极 板间距。
也可采用等位环的方法，如图5-2所示。
二、电容式传感器的结构类型及主要特性
1 结构类型 电容式传感器分为三个类型，即变极距（d）型、变面积（A）
型和变介电常数（ε）型。
三、 电容式传感器的灵敏度及非线性
1、变极距型平板电容式传感器 电容特性公式为
R3 Cx1
R4
Cx2 C1 K
③ 采用组合式与集成技术
六、电容式传感器的应用
例1 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用
C
C0
C1
L1
R
C2 R L2 B
例2 电容式称重传感器
F F
误差平均效应
例3 电容式压力传感器 单只变间隙型
P1
P2
P
差动式
例4 电容式加速度传感器
C1 C2
惯性原理
C1
1 jL 1
jCE
jC
CE
C
1 2 LC
四、电容式传感器的信号调理电路
电容传感器所产生的电容量很微小（几皮法到几十皮法）， 这样小的电容量不便于直接传输、记录和显示，因此，必须借 助于一定的检测电路，检测出这一微小电容变化量，并将其转 换成电压、电流或频率，以便进行显示记录，或经A/D转换后送 入计算机进行非线性补偿和数据处理。
当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测 试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输 出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由 于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可 达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。
非线性误差为
( d )2
d0 ( d )
d 100% d0
d0
越d d小0 ，则 越小，即只有在
才有近似的线性输出。
d很/d小0 时（小测量范围）
讨论：
1）灵敏度K与极距d0的平方成反比。 d0越小，灵敏度越高。
d0过小，容易引起电容击 穿或短路。
采取的措施：可在极板间放 置云母片或其它介电常数高的 材料
m
a
C2
C1 C2
灵敏度：0.35mV/g/V
例5 容栅传感器
差动变面积型 误差平均效应
精度：10um 范围：0 ~ 150mm
b
p
p a
棒状电极（金属管）外面包裹 聚四氟乙烯套管，当被测液体的 液面上升时，引起棒状电极与导 电液体之间的电容变大。
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液位变送器的区 别在于：它不给出模拟量，而是给 出开关量。当液位到达设定值时， 它输出低电平。但也可以选择输出 为高电平的型号。
第五章 电容式传感器
电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量转化为 电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。
特点
★优点
①高阻抗，小功率。 ②灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。 ③良好的动态特性。 ④结构简单，适应性强。
⑤可进行非接触测量。 ⑥本身发热影响小。 ★缺点： ①变间隙电容传感器非线性较严重。 ②输出阻抗很高。
l不能太小，否则边缘效应影响增大，引起非线性。 3、变介电常数型传感器
当电容极板之间的介 电常数发生变化时，电容 量也随之改变，根据这个 原理可构成变介电常数型 电容传感器。如图5-8所示 的电容式液位传感器就是 一种变介电常数型电容式 传感器。
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。
电路假设条件：
（1）运算放大器增益非常高，输入电压若不使放大器饱和 。
（2）放大器的输入阻抗很高 。
• u
j 1
c0
I0
u•
sc
j
1
cx
Ix
I0 I x
Cx
0A
d
（3）讨论 ①输出 Usc 益 K
U sc
U
C0
0A
d
将与动极片位移d成线性关系,但由于放大器增 ，输入阻抗 Zi ，所以仍有一点非线性误差。
C r0 A
d
可见：电容量C与d之间是一种双曲线 函数关系，如图5-3所示。
工作时必须将d变化范围限制在一 个远小于d的△d区间内 。 可将△C和△d的关系近似看作是线性关系。
当d0→d0-△d时， △ C为：
C A A
d 0d d 0
C d d0 C0 1 d d0
当 d
d0
<<1 时，有