2.3電容式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第三章電容式傳感器課程內(nèi)容2應(yīng)變式電容式電感式壓電式數(shù)字式熱電式固態(tài)光導(dǎo)纖維式智能傳感技術(shù)工作原理與應(yīng)用概論傳感器的一般特性本章內(nèi)容3第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動(dòng)式電容傳感器誤差分析溫度效應(yīng)邊緣效應(yīng)寄生和分布電容測(cè)量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路運(yùn)算法電路應(yīng)用舉例電容測(cè)微儀電容式差壓變送器

電容液位計(jì)成分測(cè)量電容式接近開(kāi)關(guān)

定義：電容式傳感器是將被測(cè)量參數(shù)換成電容量的測(cè)量裝置。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路輔助電路被測(cè)量傳感器輸出工作原理實(shí)際應(yīng)用測(cè)量電路誤差分析位移、厚度、角度、振動(dòng)、力、壓力、壓差、流量、成分、液位……第三章電容式傳感器第三章電容式傳感器一、變極距型（變d）非線性非線性誤差？只考慮二次項(xiàng)差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)使靈敏度提高一倍；非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)；二、變面積型（變S）應(yīng)用：位移及可轉(zhuǎn)化為位移的量直線位移式電容傳感器二、變面積型（變S）角位移式電容傳感器應(yīng)用：角度、位移及可轉(zhuǎn)化為角度、位移的量12第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動(dòng)式電容傳感器

*XXXXXXXXXXXXXXXXXX1土壤濕度傳感器介電法速測(cè)土壤含水量利用土壤的介電特性來(lái)測(cè)量土壤含水量是一種行之有效的、快速的、簡(jiǎn)便的、可靠方法。對(duì)一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式水分傳感器，其電容量與兩極間被測(cè)物料的介電常數(shù)有正比關(guān)系。電容式水分傳感器的特點(diǎn)是精度高、量程寬、可測(cè)的物料品種多，而且響應(yīng)速度也較快，可應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化三、變介電常數(shù)型（變?chǔ)牛怏w介質(zhì)間的電容為C2液體介質(zhì)間的電容為C1

總電容量為C線性液面高度12下圖相當(dāng)于兩個(gè)電容的并聯(lián)，1、2為筒狀的極板。d三、變介電常數(shù)型（變?chǔ)牛〤1C2C3C圖

電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式上圖所示為常用電容器的結(jié)構(gòu)形式。圖(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)為變面積型，圖(a)和(e)為變極距型，而圖(i)～(l)則為變介電常數(shù)型。例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：三、主要性能（一）

主要性能1、

靜態(tài)靈敏度是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比。對(duì)于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為

可見(jiàn)其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測(cè)量而變化。減小δ可以提高靈敏度。但δ過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kV／mm）。可在極間加一層云母片（其擊穿電壓大于

103kV/mm）或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能。

顯然，輸出電容?C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。只有當(dāng)(?δ/δ<<1時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為C＝C0(?δ/δ)。由于δ取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（1cm至零點(diǎn)幾mm），而且?δ最大應(yīng)小于極板間距δ的1/5～1/10。2、非線性對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化：可見(jiàn)，差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被測(cè)量?δ就與?XC成線性關(guān)系，不需要滿足?δ<<δ這一要求了。在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，變面積型和變介電常數(shù)型（測(cè)厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致非線性問(wèn)題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。

采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量?C本章內(nèi)容21第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動(dòng)式電容傳感器誤差分析溫度效應(yīng)邊緣效應(yīng)寄生和分布電容測(cè)量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路運(yùn)算法電路應(yīng)用舉例電容測(cè)微儀電容式差壓變送器

電容液位計(jì)成分測(cè)量電容式接近開(kāi)關(guān)3-2電容式傳感器的誤差分析理想一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響二、溫度對(duì)介電常數(shù)的影響實(shí)際一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響由于組成傳感器各材料的溫度膨脹系數(shù)不同，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器各結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化從而引起電容變化。通常以變極距型電容傳感器為例，對(duì)溫度誤差進(jìn)行分析。溫度變化產(chǎn)生的增量，是溫度的函數(shù)傳感器初始電容正常測(cè)量時(shí)電容的變化量工作極板固定極板絕緣材料L：初始時(shí)絕緣材料的厚度：初始時(shí)固定極板的厚度：初始時(shí)空氣隙的厚度：初始時(shí)兩極板的總間隙誤差

溫度誤差與各結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料的關(guān)系，說(shuō)明溫度誤差與傳感器的零件形狀、尺寸、大小及零件材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。設(shè)計(jì)的通常步驟：〈1〉設(shè)計(jì)時(shí)首先合理選擇初始電容量以決定d0

；〈2〉根據(jù)材料膨脹系數(shù)，適當(dāng)?shù)剡x擇h1和

h2以滿足溫度補(bǔ)償條件的要求，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

傳感器的電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。因此若某些介質(zhì)的介電常數(shù)也存在溫度系數(shù)，當(dāng)溫度改變時(shí)，就必然會(huì)引起傳感器的電容值改變，從而造成溫度附加誤差。

消除方法是：采用介電常數(shù)溫度系數(shù)為零的空氣或云母作為介質(zhì)，或在測(cè)量電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但要完全補(bǔ)償是困難的。二、溫度對(duì)介質(zhì)的介電常數(shù)的影響本章內(nèi)容27第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動(dòng)式電容傳感器誤差分析溫度效應(yīng)邊緣效應(yīng)寄生和分布電容測(cè)量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路運(yùn)算法電路應(yīng)用舉例電容測(cè)微儀電容式差壓變送器

電容液位計(jì)成分測(cè)量電容式接近開(kāi)關(guān)3-3電容式傳感器的測(cè)量電路電容變化一、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路二、運(yùn)算法測(cè)量電路電壓輸出3-3電容式傳感器的測(cè)量電路一、等效電路C：傳感器電容；

Rp：并聯(lián)電阻，包括了電極間泄露電阻和介質(zhì)損耗的等效電阻（電容器內(nèi)部的）。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱L：串聯(lián)電感，電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。

Rs：串聯(lián)電阻，即引線電阻，接線柱電阻，電極板電阻之和（外部與內(nèi)部）電容式傳感器的等效電路當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率（通常f=(1/3～1/2)fo

），否則電容傳感器不能正常工作。電路諧振頻率注意<二>差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電容充、放電回路差動(dòng)電容電路輸出+﹣截止充電﹣+截止充電導(dǎo)通放電+﹣<二>差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路工作原理接通電源：某時(shí)刻雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出為

因此在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1，C2調(diào)制的方波脈沖,見(jiàn)下圖（書(shū)中圖3-13）所示。差動(dòng)電容的變化使充電時(shí)間不同而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的脈沖寬度不同，因此，A、B兩點(diǎn)間輸出電壓不同，且具有線性輸出輸出直流電壓由AB兩點(diǎn)間電壓經(jīng)過(guò)低通濾波后獲得其中……觸發(fā)器輸出高電平電壓輸出直流電壓具有線性輸出特性；無(wú)須附加解調(diào)電路，而只需經(jīng)低通濾波簡(jiǎn)單引出輸出（自身能判向）；由于低通濾波對(duì)波形要求不高，故僅需一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，比要求穩(wěn)頻穩(wěn)幅的交流電易于做到?！次濉颠\(yùn)算法測(cè)量電路由運(yùn)算放大器反饋原理可知，當(dāng)運(yùn)放輸入阻抗很高，增益很大時(shí)，則認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流I=0，即運(yùn)放不取電路電流，則下式成立（M點(diǎn)虛地）。根據(jù)基爾霍夫定律：線性結(jié)論〈1〉輸出電壓與動(dòng)極片位移d成線性關(guān)系；（理論上解決了變d電容傳感器輸出特性的非線性問(wèn)題）〈2〉前提條件，實(shí)際上運(yùn)算法測(cè)量電路的輸出，仍具有一定的非線性誤差，但是在增益和輸入阻抗足夠大時(shí)，這種誤差是相當(dāng)小的。實(shí)際兩者足夠大即可；〈3〉輸出電壓Usc與信號(hào)電壓Ui、固定電容C0和電容式傳感器參數(shù)

ε、S等有關(guān)，這些參數(shù)的波動(dòng)都將使輸出產(chǎn)生誤差，因此要求，要求C0、Ui

（穩(wěn)壓措施）、

ε

等要足夠穩(wěn)定。本章內(nèi)容38第三章電容式傳感器工作原理變面積型變介電常數(shù)型變極板間距型差動(dòng)式電容傳感器誤差分析溫度效應(yīng)邊緣效應(yīng)寄生和分布電容測(cè)量電路等效電路交流不平衡電橋二極管環(huán)形檢波電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路運(yùn)算法電路應(yīng)用舉例電容測(cè)微儀電容式差壓變送器

電容液位計(jì)成分測(cè)量電容式接近開(kāi)關(guān)3-4電容式傳感器的應(yīng)用位移、厚度、角度、振動(dòng)、力、壓力、壓差、流量、成分、液位電容傳感器一、成分測(cè)量二、電容式接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用四、成分測(cè)量土壤水分的測(cè)定是農(nóng)業(yè)，水利科學(xué)研究和實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，廣泛地受到人們的重視。土壤水分的檢測(cè)在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常重要，人們通過(guò)傳感器檢測(cè)出土壤水分的多少，經(jīng)過(guò)變送器，傳輸通道，信息處理