《电容式传感器》.(DOC)

第5章电容式传感器

主要内容：

5.1电容传感器工作原理和类型

5.2电容传感器输出特性

5.3电容传感器测量电路

5.4电容式传感器的应用举例

要求：了解电容式传感器的结构及工作原理、测量电路、应用方法。

概述：

电容式传感器的应用技术近几十年来有了较大的进展，由于电容测微技术的不断完善，作为高精度非接触式测量手段，广泛应用于科研和生产加工过程。一般产品有测微仪器。

过去，电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现在还逐渐扩大应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：

•小功率、高阻抗。电容器密度很小，一般在几十~几百微法，具有高输出阻抗。

•静电引力小（极板间），工作所需作用力很小。

•可动质量小，具有较高的固有频率，所以动态响应特性好。

•本身发热影响小。

•可进行非接触测量。

5.1 工作原理和类型

电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器的基本原理可以用

平板电容器说明：

根据这一性质，电容器C可以通过改变（极板面积）称变面积型传感器（较大范围测线，角位移）；图5—1 平板电容结构

改变（极板距离）称变极距型传感器（测小位移）；

改变（极板介质）称变介质型传感器（测液面高度，料位）。

5.2 输出特性

•变极距型（）

初始电容

图5—2 变极距型电容传感器工作原理

由上式可知C—是反比非线性关系。所以这种传感器被限制在一个较小的范围内变化才能近似线性。当减小时电容C增加,，。

电容相对变化

图5—3变极距型电容传感器输出特性

当时，用泰勒级数展开。

对上式作线性处理（忽略高次项）才能近似线性。

定义灵敏度：（单位位移引起的输出电容相对变化量）讨论：

•要提高传感器灵敏度K应减小初始极距。但极间受电容击穿电压限制，非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线行度应限制相对位移。

•起始极距与K、相矛盾。适合测小位移。

•为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构（一个动片，两个定片）当一个电容量增加时（↗）另一个电容量减小（↘）。

差动式输出特性

差动式两电容的特征方程式为：

电容的总的变化量图5—4 差动式变极距型电容传感器结构

；；

电容的相对变化量为：

忽略高次项

传感器（差动式）灵敏度：

相对非线性误差为：

结论：

•差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小（多乘因子）。

•变面积型（S）

平板电容的初始电容：

当动极板移动ΔX后，两极板间的电容量变为：

图5—5平板电容工作原理

平板变面积式传感器灵敏度：

（常数）

结论：

•变面积式电容传感器输出特性为线性，适合测量大位移。灵敏度K为常数,。

•变介电常数式（）

当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：

分几种情况（及）。

图5—6 变介电常数式电容传感器原理

•测介电常数：d为运动（被测）介质的厚度，当介质厚度d保持不变，而改变时，电容增加ΔC产生的电容相对变化。ε0为真空介电常数。

初始电容；

介质变化后；

o因此利用这种原理可作为介电常数的测试仪器。

•测厚度d：如果保持不变，而d改变，可作为测厚仪器。

o若、一定，可作为测厚仪器。

•测液位高度测量（根据液体容器的形状计算）：

图5—7测液位高度

5.3 测量电路

电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压。

5.3.1电容传感器的等效电路

图5—7电容传感器的分布电容图5—8电容传感器等效电路

电容传感器的等效电路包括：

传输线的电感L0；

电阻R（小）；

传感器电容C0；

A、B两端分布电容Cp；

极板等效漏电阻Rg。

容抗：

低频时大， L、R可忽略

，高频时小， L，R不可忽略，工作频率10M以上要考

虑电缆L的影响。相当于一个串联谐振，有一个谐振频率，当工作频率f f0谐振频率时，串联谐振阻抗最小，有破坏作用不能正常工作，分布电容常常比传感器电容

还大，为克服分布电容影,常采用双层屏蔽等位传输技术，又叫“驱动电缆技术”。为提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合（不稳定值），应采取屏蔽措施。

①将电容转换元件（传）置于金属屏蔽罩外壳接地，引出线用屏蔽线，屏蔽网接地，可消除外静电场和交变磁场。

②电容转换元件本身电容量很小（一般几十个皮法），引出线屏蔽后屏蔽线电缆的电容量大（每米可达几百皮法），该电容与传感器电容并联后使电容的相对变化量大大降低，使灵敏度降低。

消除方法：

一是将转换元件（传）二测量电路前级紧靠转换元件。最好全部电路装在传感器

壳体内。（避免信号由长电缆传输）

另一种方法：

“双层屏蔽等电位传输”技术（驱动电缆技术）。

•原理是：连接电缆采用双层屏蔽。内屏蔽与被屏蔽

的导线的电位相同。由驱动电缆放大供给，从而消除引线与内屏蔽之间的电容。实际是一种等电位屏蔽法，放大器1：1（跟随器），使传输电缆与内屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电，从而消除寄生电容的影响。

图5—9 驱动电缆技术电路原理

•此时，内外屏蔽之间的电容成了驱动放大器的负载，因此，驱动放大器是一个高输入阻抗，具有容性负载，放大倍数为A：1的同相放大器屏蔽线上有随传感器信号变化的电压。所以称“驱动电缆”。这种技术使传输电缆在