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1、第四章 电容型传感器与测量电路,4.1工作原理及结构类型,4.1.1 工作原理电容式传感器实质上是一个可变参数的电容器。由物理学可知，用绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器(如图4-1所示)，当忽略边缘效应时，电容量可表示为,图4-1 平板电容器,(4-1),由式(4-1)可知，当A、或任意参数发生变化时，都会引起电容量C的变化。实际制作电容式传感器时，都是尽量使A、或三个参数中的两个保持不变，仅改变其中一个参数使电容量发生变化。根据这一原理，电容式传感器可分为三种类型：变极距式、变面积式和变介电常数式。,4.1.2 结构类型 图4-2所示为常用电容式传感器的结构形式。图4-2(a)和
2、(b)为变极距式，图4-2(c)(h)为变面积式，而图4-2()()则为变介电常数式。变极距式一般用来测量微小位移(0.010.1 m)，变面积式则用来测量角位移或较大的线位移，变介电常数式常用来测量介质的厚度、位置、液位以及成分含量等。,图4-2 电容式传感器的结构形式,4.1.3 变极距型电容传感器 图4-3为这种传感器的原理图。当传感器的r和A为常数，初始极距为0，由式(4-2)可知其初始电容量C0为,当动极板因被测量变化而向上移动使0减小时，电容量增大C，则有,当0时，则,可见，传感器输出特性C=f()是非线性的，如图4-4所示。,图4-3 变极距型电容传感器原理图,图4-4 变极距型
3、电容传感器特性曲线,图4-5 差动电容传感器原理,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动结构。其结构原理如图4-5所示。当动极板移动时，C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应地减少。以消除非线性因素造成的测量误差。,4.1.4 变面积型电容传感器 图4-6为变面积式位移电容传感器的结构示意图。图4-6(a)为直线位移型平板电容器的原理图，当两极板完全重叠时，其电容量C0=ab。当动极板移动x时，两极板重叠面积减小，电容量也将减小。如果忽略边缘效应，可得传感器的特性方程为,式中：a、b极板的宽度和长度，电容变化量为：,灵敏度S为,图4-6 变面积型电容传感
4、器（a）直线位移型；（b）角位移型；（c）直线位移圆筒型,由式(4-6)和式(4-7)可见，直线位移型电容传感器具有线性输出特性、允许输入的直线位移范围大和灵敏度S为常数等特点。增大极板长度b，减小极板间距离，选取高介电常数的介质，都可使灵敏度提高。虽然极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘电场影响增加，将产生非线性误差。,变面积式电容传感器的灵敏度S均为常数，即输出与输入为线性关系。但与变极距式相比，灵敏度较低，广泛用于较大的直线位移和角位移的测量。,4.1.5 变介电常数式 变介电常数式电容传感器常用来测量介质的厚度、位置和液位等，如图4-7所示。图4-7(a)是用来测量纸张
5、、绝缘薄膜等厚度的电容式传感器原理图，两平行极板固定不动，当被测介质的厚度疋发生改变时，将引起电容量变化，其电容量为,式中：、b极板的长度和宽度。,图4-7 变介电常数的电容传感器,图4-7(b)是用来测量介质位置的电容式传感器原理图，被测介质以不同深度ax插入两固定极板中，其电容量发生变化，电容量为,图4-7(c)为电容式液位计的原理图，用来测量液体的液位，由两个同心圆筒构成电容器，其电容量C为,变介电常数式电容传感器也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤炭等固体介质的温度或湿度，当被测介质受到外界温度或湿度影响时，其介电常数发生变化，从而引起电容量发生变化。,4.2 信号调理电路,4.2.1
6、运算放大器电路 运算放大器的输入阻抗和开环放大倍数都非常大，是电容式传感器比较理想的信号调理电路，如图4-8所示。图中Cx是变极距式电容传感器，C是固定电容，u是交流电源电压，uo是输出信号电压。由运算放大器的理想条件“虚短”和“虚断”可得,将Cx=A代入式(4-17)得,图4-8 运算放大器电路,运算放大器的输出电压uo与极板间距离呈线性关系，解决了变极距式电容传感器的非线性问题。若Cx是变面积式电容传感器，则将传感器电容Cx与固定电容C交换位置，也可得到线性特性。为了保证测量精度，要求电源电压u和固定电容C必须稳定。式(4-18)中“一”号表示运算放大器的输出电压uo与电源电压u反相。,4
7、.2.2 电桥电路 电容式传感器常连接成差动结构，接人交流电桥的两个相邻桥臂，另外两个桥臂可以是固定电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图4-9所示。,图4-9 电桥电路,从电桥灵敏度考虑，图4-9(a)(c)形式的灵敏度高，图4-9(d)(f)形式的灵敏度相对较低。在设计和选择电桥形式时，除了考虑电桥灵敏度外，还应考虑电桥输出电压是否稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压之间的相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现等。在实际电桥电路中，还要设置零点平衡调节、灵敏度调节等环节。电桥输出电压U0与极距变化量、面积变化量A都呈线性关系。但必须指出：输出电压与
8、电源电压成正比，要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，在要求精度很高的场合(如飞机用油量表)，可采用自动平衡电桥；交流电桥的输出阻抗很高(一般达几兆欧姆至几十兆欧姆)，输出电压幅值又较小，所以必须后接高输入阻抗的放大器，将电桥输出电压放大后进行测量。,4.2.3 调频电路 调频电路是将电容传感器与电容、电感元件构成振荡器的谐振回路，如图4-10所示。图中Cx是电容传感器，Cc是传感器引线分布电容，C和L是谐振回路的固有电容、电感。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡器的振荡频率发生变化。但振荡频率变化的同时，振荡器输出幅值也发
9、生改变，为此在振荡器之后加入限幅环节，然后通过鉴频电路将频率变化转换为电压变化，再经放大器放大后即可显示或记录。,图4-10 调频电路,振荡器的振荡频率为,式中：C谐振回路的总电容，C=Cx+Cc+C,当传感器尚未工作时，传感器电容为初始值Cx=C0，振荡器的振荡频率为,当传感器工作时，Cx=C0士C，摄荡嚣的振荡频率为,振荡器输出是一个受被测信号调制的调频波，中心频率f0一般选在1MHz以上。调频电路的灵敏度较高，可以测量0.01m级甚至更小的位移变化量。输出调频波易于用数字仪器测量，便于与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。,4.2.4 双T形电路 双T形电路如图4-1
10、1(a)所示，图中u是对称方波的高频电源电压，VD1、VD2为特性完全相同的二极管，R1、R2为阻值相等的固定电阻，C1、C2为差动式电容传感器，RL为负载电阻。当电源电压u为正半周时，二极管VDl导通、VD2截止，等效电路如图4-11(b)所示。此时电容C1充电，充电回路的电阻仅为导线电阻，因此很快被充电至电压U，U经R1以电流i，向负载电阻RL供电。如果C2初始已充电，则电容C2以电流i2，经R2和RL放电。流经RL的电流iL1为i1与i2之代数和。,图4-11 双T形电路,当电源电压u为负半周时，VD2导通、VD1截止，等效电路如图4-11(c)所示。此时C2很快被充电至电压u，而C1经
11、R1和RL放电，流经RL的电流iL2为i1与i2之代数和。由于VD2和VDl特性相同，R1=R2=R，所以初始状态Cl=C2，在u的一个周期内流过RL的电流iL1与iL2的平均值为零，即RL上无信号输出。当传感器工作时C1C2，在RL上产生的平均电流不为零，则有信号输出。此时RL两端的平均电压为,当R、RL、U和f均为定值时，双T形电路的输出电压Uo与传感器电容C1和C2之差呈线性关系。当R和RL为定值时，该电路的电压灵敏度S=Uo(C1C2)与U和f成正比。因此，要求电源电压必须是稳幅稳频和高幅高频的对称方波，以保证该电路具有较高的稳定性和灵敏度。双T形电路具有结构简单、灵敏度高、动态响应快
12、、过载能力强、能在恶劣环境(如高、低温及强辐射)中正常工作等优点。,4.2.5 电容型传感器的集成电路芯片 与电容型传感器配套的集成电路芯片有：Xemics公司的XE2004；AnaLog公司的CAV414、CAV424等。它们几乎适用于所有电容变化的测量需要，输出连续的电压信号。CAV414是为电容性传感器而设计的通用性强、多用途的集成电路，该芯片内包含有完整的信号处理单元。通过CAV414可检测到被测电容的相对变化，以达到校准参考电容的目的。当10pF2pF的电容在5100之间变化时，其检测效果最好。CAV414的温度适用范围为4085，检测频率为2kHz，可变电压范围为0510V，参考电
13、压VREF为5V。该器件对反相极性有保护作用，可广泛应用于工业过程控制、远距离测量、压力测量、温度检测以及水平控制等方面。,1应用电路及芯片内部电路,图4-12是CAV414的一个应用电路实例，CAV414支持单电容传感器，在测量之始的初始位置，电路中必需使CX1=CX2；也支持差动电容传感器，同样要求测量之始CX1=CX2，并作为其他参数的计算依据。图中LPOUT和VM是另外的测量放大电路所需，LPOUT输出低通滤波器后的电压，VM是它的相对地电位，如没有另外的测量放大电路可以不接。,CAV414芯片内含基准振荡器，其振荡频率可由基准振荡电容COSC来调整，COSC通常为电容性传感器中固定电
14、容CX的1.6倍。而其基准振荡器的电流IOSC则可由下式决定：,基准振荡器的振荡频率fosc为：,式中：V是基准振荡器的初始电压；CINT是内部寄生电容；CEXT是外部寄生电容。VM和VREF可作为自检端口，表4-1中的值作为检查的依据。,4.3 电容式传感器的应用,1电容式压力传感器 图4-14是一种典型的差动式电容压力传感器。该传感器由金属活动膜片的玻璃片固定电极组成。在被测压力的作用下，膜片弯向低压的一边，从而使一个电容增加，另一个电容减少，电容变化的大小反映了压力变化的大小。其灵敏度取决于初始间隙，初始间隙越小，灵敏度越高，一般可用于测量00.75Pa的微小压差。,图4-14 差动电容
15、式压力传感器,2电容式加速度传感器 图4-15是一种空气阻尼电容式加速度计。该传感器有两个固定电极，两极板间有一用弹簧支承的质量块，质量块的两个端平面作为动极板。当测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使得上下两对极板形成的电容发生变化。通过测量电容的变化即可计算出被测加速度的大小。,图4-15 电容式加速度传感器,3电容式测厚仪 电容式测厚仪是用于金属带材在轧制过程中厚度的在线检测的仪器。在被测带材的上下两侧各设置一块面积相等、与带材距离相等的极板，工作极板与带材之间形成两个电容，即C1和C2，如图4-16所示。若两块极板用导线连接作为传感器的一个电极板，带材本身则是电容传感器的另一个
16、极板，则总电容量为C1+C2。当带材在轧制过程中的厚度发生变化时，将引起电容的变化。通过测量电路和指示仪表可显示带材的厚度。,图4-16 电容式测厚仪工作原理,4电容式物位传感器 电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。图4-17是用于被测介质为液体的电容式物位传感器，被测介质为非导电液体，当被测液面高度变化时，两同轴电极间的介电常数将发生变化，从而导致电容的变化。,图4-17电容式液位传感器,图4-18为电容式料位传感器，用来测量非导电固体散粒的料位。由于固体摩擦力较大，容易“滞留”，故一般不用双层电极，而用电极棒与容器壁组成电容料位传感器的两极。,图4-
17、18电容式料位传感器,5电容式湿度传感器 电容式湿度传感器主要用来测量环境的相对湿度。传感器的感湿元件是高分子薄膜式湿敏电容，其结构如图4-19所示。它的两个上电极是梳状金属电极，下电极是一多孔透气性金属电极，上下电极间是亲水性高分子介质膜，两个梳状上电极、高分子薄膜和下电极构成两个串联的电容。当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量改变。,图4-19 湿敏电容结构图,6电容式接近开关 电容式接近开关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。它由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。其中装在传感器主体上的金属板为定板，被测物
18、体上的相对应位置上的金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时(接近的距离范围可通过理论计算或实验取得)，由于两者之间的距离发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。此外，开关的作用表面可与大地之间构成一个电容器，参与振荡回路的工作。,图4-20 人体电容接近开关电路图,当被测物体接近开关的作用表面时，回路的电容量将发生变化，这种变化使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。振荡器的振荡及停振信号由电路转换成开关信号送至后续开关电路中，从而使传感器按预先设置条件发出信号，控制检测机电设备，使其正常工作。电容式接近开关主要用于定位及开关报警控制等场合，具有无抖动、无触点、非
19、接触检测等优点，其抗干扰能力、耐烛性能等比较好。这种接近开关尤其适用于自动化生产线和检测线的自动限位、定位等控制系统，以及一些对人体安全影响较大的机械设备(如切纸机、压模机、锻压机等)的行程和保护控制系统。图4-20是人体电容接近开关的电路图。C1与L1构成并联谐振电路，L2和VT形成共基接法，C4是反馈电容，C5是耦合电容，R3与C3形成去耦电路。Rl和R2是偏置电阻，它们与C2形成选频网络。电位器用于调节接近距离。VD1与VD2构成检波电路。C6是检波电容、C0是人体与金属棒形成的电容。若人体接近金属棒，C0变大，与C4并联后使反馈电容增加，。从而减弱振荡，经VDl、VD2检波后，输出的电
20、压为低电平。否则，振荡器正常振荡，输出高电平。,从电桥灵敏度考虑，图4-9(a)(c)形式的灵敏度高，图4-9(d)(f)形式的灵敏度相对较低。在设计和选择电桥形式时，除了考虑电桥灵敏度外，还应考虑电桥输出电压是否稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压之间的相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现等。在实际电桥电路中，还要设置零点平衡调节、灵敏度调节等环节。电桥输出电压U0与极距变化量、面积变化量A都呈线性关系。但必须指出：输出电压与电源电压成正比，要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，在要求精度很高的场合(如
21、飞机用油量表)，可采用自动平衡电桥；交流电桥的输出阻抗很高(一般达几兆欧姆至几十兆欧姆)，输出电压幅值又较小，所以必须后接高输入阻抗的放大器，将电桥输出电压放大后进行测量。,4.2.3 调频电路 调频电路是将电容传感器与电容、电感元件构成振荡器的谐振回路，如图4-10所示。图中Cx是电容传感器，Cc是传感器引线分布电容，C和L是谐振回路的固有电容、电感。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡器的振荡频率发生变化。但振荡频率变化的同时，振荡器输出幅值也发生改变，为此在振荡器之后加入限幅环节，然后通过鉴频电路将频率变化转换为电压变化，再经放大器放大后即可显示或记录。,图4-10 调频电路,振
22、荡器的振荡频率为,式中：C谐振回路的总电容，C=Cx+Cc+C,4.2.4 双T形电路 双T形电路如图4-11(a)所示，图中u是对称方波的高频电源电压，VD1、VD2为特性完全相同的二极管，R1、R2为阻值相等的固定电阻，C1、C2为差动式电容传感器，RL为负载电阻。当电源电压u为正半周时，二极管VDl导通、VD2截止，等效电路如图4-11(b)所示。此时电容C1充电，充电回路的电阻仅为导线电阻，因此很快被充电至电压U，U经R1以电流i，向负载电阻RL供电。如果C2初始已充电，则电容C2以电流i2，经R2和RL放电。流经RL的电流iL1为i1与i2之代数和。,图4-11 双T形电路,2电容式
23、加速度传感器 图4-15是一种空气阻尼电容式加速度计。该传感器有两个固定电极，两极板间有一用弹簧支承的质量块，质量块的两个端平面作为动极板。当测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使得上下两对极板形成的电容发生变化。通过测量电容的变化即可计算出被测加速度的大小。,图4-15 电容式加速度传感器,5电容式湿度传感器 电容式湿度传感器主要用来测量环境的相对湿度。传感器的感湿元件是高分子薄膜式湿敏电容，其结构如图4-19所示。它的两个上电极是梳状金属电极，下电极是一多孔透气性金属电极，上下电极间是亲水性高分子介质膜，两个梳状上电极、高分子薄膜和下电极构成两个串联的电容。当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量改变。,图4-19 湿敏电容结构图,
