電容傳感器論文

1、濱江學(xué)院論文報(bào)告 題 目 電容式傳感器 姓 名 靳煒 學(xué) 號(hào) 20102305911 學(xué) 院 濱江學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 年 級(jí) 10級(jí) 指導(dǎo)老師 周欣 2013年 6月 15 日 引言    用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。  從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移

2、、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到15 m數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01 m，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為100±5 m，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。  對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器

3、進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：  (1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過100%；  (2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí)；    (3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；  (4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)幅射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。 電容式傳感器工作原理電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓

4、筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為C=2eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。 電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和

5、測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。 原理及應(yīng)用  電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器  圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，該電容器的電容量為：     如果其中一塊板極相對(duì)另一極板轉(zhuǎn)過角，則極板間的相互遮蓋面積為：   

6、; 可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測(cè)量角位移。  圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0ab，當(dāng)2塊極板相對(duì)位移x時(shí)，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時(shí)，電容量分別為：  可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測(cè)量各類線位移。    圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得： &#

7、160;  比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了n倍。2.2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器  圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測(cè)液位的高度，圖2(b)常用來檢測(cè)片狀材料的厚度和介電常數(shù)。       圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩極，假定部分浸入被測(cè)量液體中（液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測(cè)量的精度很

8、高，且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容C1和空氣介質(zhì)部分電容C2兩部分組成：      x 電容器浸入液體中的深度；    R 同心圓電極的外半徑；    r 同心圓電極的內(nèi)半徑；    1 被測(cè)液體的介電常數(shù)；    2 空氣的介電常數(shù)。  當(dāng)容器的尺寸和被測(cè)介質(zhì)確定后，則h，R，r，1和2均為常數(shù)，令：  這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。  圖2(b)是在一

9、個(gè)固定電容器的極板之間放入被測(cè)片狀材料，則他的電容量為：式中：S 電容器的遮蓋面積；    d1 被測(cè)物體上側(cè)至電極之間的距離；    d2 被測(cè)物體的厚度；    d3 被測(cè)物體下側(cè)至電極之間的距離；    1 被測(cè)物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)；    2 被測(cè)物體的介電常數(shù)；    3 被測(cè)物體下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。  由于d1+d3=d-d2，且當(dāng)13時(shí)，式（5）還可寫為：式中d 兩極板之

10、間的距離。  顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測(cè)物體上下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)1和3確定時(shí)，電容量的大小就和被測(cè)材料的厚度d2及介電常數(shù)2有關(guān)。如被測(cè)材料介電常數(shù)2已知，就可以測(cè)量等厚教材料的厚度d2；或者被測(cè)材料的厚度d2已知，就可測(cè)量其介電常數(shù)2。這就是電容式測(cè)厚儀和電容式介電常數(shù)測(cè)量?jī)x的工作原理。3改變極板間距離的電容傳感器  圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構(gòu)成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測(cè)物體相連的活動(dòng)極板，可上下移動(dòng)。當(dāng)極板間的遮蓋面積為S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為，初始極板間距為d0時(shí)，則初始電容C0為： 

11、;   當(dāng)活動(dòng)極板1在被測(cè)物體的作用下向固定極板2位移d 時(shí)，此時(shí)電容C為：    當(dāng)電容器的活動(dòng)極板1移動(dòng)極小時(shí)，即d<<d0時(shí)，上式按泰勒級(jí)數(shù)展開為：       這時(shí)電容器的變化量C才近似地和位移d成正比。其相對(duì)非線性誤差為：    顯然，這種單邊活動(dòng)的電容傳感器隨著測(cè)量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測(cè)量范圍和減小非線性誤差，常做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。兩邊是固定的

12、電極板1和2，中間由彈簧片支承的活動(dòng)極板3。2個(gè)固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動(dòng)極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓U隨著活動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)而變化。若活動(dòng)極板的初始位置距2個(gè)固定極板的距離均為d0，則固定極板1和活動(dòng)極板3之間 ，固定2和活動(dòng)極板3之間的初始電容相等，若令其為C0。當(dāng)活動(dòng)極板3在被測(cè)物體作用下向固定極板2移動(dòng)d時(shí)，則位于中間的活動(dòng)極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：    由上述推導(dǎo)可知，活動(dòng)極板和2個(gè)固定極板構(gòu)成電容分別為：  當(dāng)他們做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時(shí)，其等效電容為： 

13、0;  雖然電容的變化量仍舊和位移d成非線性關(guān)系，但是消除了級(jí)數(shù)中的偶次項(xiàng)，使線性得到改善。當(dāng)時(shí)（在微小量檢測(cè)中，如線膨脹測(cè)量等，一般都能滿足這個(gè)條件），略去高次項(xiàng)，得：  比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了1倍。  比較式（10）和式（8）可見，在1時(shí)，非線性誤差將大大下降。電容式傳感器具有如下特點(diǎn)(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，精度高;可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等;能測(cè)超高

14、壓和低壓差。(2) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量;可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等。(3) 分辨率高由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題，如測(cè)量極小的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m ，甚至更小的位移。(4) 溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。(5) 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象;寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電