传感器技术-第四章-电容式传感器1

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1、第四章电容式传感器4.1工作原理、结构及特性4.2应用中存在的问题及改进措施4.3测量电路4.4电容式传感器及其应用电容式传感器是将非电量的变化转换成电容量的变化。结构简单、分辨率高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣环境工作。微机械结构集成化电容传感器将成为一种很有前途的传感器。4.1工作原理、结构特性A——极板相对覆盖面积；δ——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。δAε4.1.1变极距型电容传感器变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l

2、)4.1.1变极距型电容传感器(非线性关系)若极距缩小△δ，电容量为：初始电容：电容的相对变化量为：若△δ/δ0<<1，则上式按级数展开为：灵敏度S为:略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系：由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在△δ/δ0很小(小测量范围，10%)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度与初始极距的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如电容式压力传感器常取δ0=0.1~0.2mm,C0在20～100pF之间，可测小至0.01μm的位移。考虑线性项和二次项，则相对非线性误差为:又由ef的表达式可见，δ0的减小会导致非线性误差增大；过小还可能引起电容器击穿或短

3、路，为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质。差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，δ1=δ2=δ0，两边初始电容相等。动极板向上有位移∆δ时，则电容总的相对变化量为:略去高次项,得:此时,相对非线性误差为:4.1.2变面积型电容传感器当动极板相对于定极板平移Δl时，其电容量为呈线性关系上一页返回下一页电容相对变化量为:灵敏度:电容式角位移传感器当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系上一页返回下一页若电介质1为空气，当L=0时，传感器的初始电容：被测电介质进入极板间L深度后，电容相对变化量：电容变化量与电介质移动量L呈线性关系4.1.3变介电常数

4、型电容式传感器初始电容为：电容与液位的关系为：上一页返回下一页电容式液位传感器4.2应用中存在的问题及其改进措施4.2.1等效电路若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。RsCCPRpL图中C—传感器电容，Rp—低频损耗并联电阻，含极板间漏电和介质损耗；Rs—高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L—电容器及引线电感。CP—寄生电容。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容变化：引起传感器有效灵敏度改变(修改P103公式4-22)在这种情况下，每当改

5、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。4.2.2边缘效应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δ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：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图所示。等位环结构边缘电场均匀电场3321带有等位环的平板电容传感器原理1、2－电极3－等位环上一页返回下一页32保护环3与定极板2同心、电气上绝缘且两者间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服

6、边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。4.2.3静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。几种常用方法。1驱动电缆法整体屏蔽法3采用组合式与集成技术4.2.4寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（几皮法到几十皮法），属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几

7、十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。4.2.5温度影响1、温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。2、温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质