电容式传感器

2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
4.温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系， 从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两 方面。
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四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
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1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
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一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
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当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
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三、电容式传感器在应用中的注意事项
1.克服寄生电容的影响
电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)， 属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十 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 影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响， 是电容式传感器实用的关键。
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虽然面积变化型电容传感器在理想情况下灵敏度为常 数，不存在非线性误差，但实际上因为电场边缘效应 的影响仍存在一定的非线性误差，且灵敏度较低。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
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1.3 介质变化型电容传感 器 对于图所示的液位测量用介质变化型
电容传感器，传感器的总电容C等于 上、下两部分电容C1和C 2的并联，即
其测量原理可表示为：
被测量 电容式传感器、A或 变化 电容C变化 测量电路 电压、电流、频率
总得来说，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量 变化的器件
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通常我们限定、A、 三个参数中的两个保持不变，只改变其 中的一个参数，使电容产生变化，所以电容式传感器可分为： 极距变化型，面积变化型，介质变化型三类。
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2.2 直流极化电路
此电路又称为静压电容传感器电路， 多用于电容传声器或压力传感器。
图所示电路，弹性膜片在外力（气压， 液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。 电容器接于具有直流极化电压E 0的电路中， 电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。
电压输出为
0 A d dC ug RE0 RE0 dt 2 dt
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3. 电容式CR601A型液位变送器
可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室， 供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的 结构及安装方式，可适用于高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞、防冷结 等特殊条件下液位的连续检测，可广泛应用于电力、冶金、化工、食 品、制药等各行业和污水处理、锅炉汽包、煤粉包等场所的液位测量。

此时，电桥输出电压 当Cx改变时， 容的变化值 电桥有输出电压，从而课测得电
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（2）差动接法
变压器电桥测验电路一般采用差 动连接，如图b所示。C1和C2一 差动形式接入相邻两个桥臂，另 外两个桥臂为初次线圈。在交流 电路中，C1和C2的阻抗非别为：
则有： 故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为：
显然，输出电压与膜片位移速度成正比，因此这种传 感器可以测量电流（或液流）的振动速度，进而得到 压力。
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2.3 谐振电路
电容传感器的电容Cx 作为谐振电路调谐电容的一部分。 此谐振回路通过电压耦合，从稳定的高频振荡器获得震荡电压。 当传感器电容量C x发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化， 并被转换成电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。
2 0 l h 2 x 0l C C1 C2 a bh D D ln ln d d
2 x 1 0 C 灵敏度S b =常数 h D ln d
由上式可知，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液位h 成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h的值。
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1.1 极距变化型电容传感器
电容器的极板面积为A，初始极距为0，极板间介质的介电常数为 A C0 电容器的初始电容量为
0
间隙0减小 时，电容量增加C，即
C C0 C
A 0
C0
1
1
0 C 1 0
2 3 C 1+ + + + C0 0 0 0 0 n + 0
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定 。 12
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二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后， 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
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2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为 电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
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2.MS8000系列加速度计
瑞士COLIBRYS公司生产的应用广泛的加速度传感器系列产品，适用 于 惯性测量和倾斜测量中多个领域。此系列产品具有结构坚固、功耗低、 偏差稳定性优异等特点，保证了杰出的输出可靠性。MS8000为微硅电容 式传感器，由一片经过微机械处理的硅芯片，用于信号调整的低功率 ASIC，用于存储补偿值的微处理器，及温度传感器组成。此产品功耗低， 经过标定，结构坚固，输出稳定。 新的电子配置为复位提供固态电源， 为过电提供全面保护。
谐振电路比较灵敏，但缺点是工 作点不易选好，变化范围也较窄， 传感器连接电缆的分布电容影响 也较大。
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2.4 调频电路
如图所示，传感器电容式振荡器谐振回路的一部分，当输入 量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化， 频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录 器或显示仪表指示。 这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点，可测0.01um的位 移变化量。但缺点是电缆分布电容的影响较大，使用中有一些 麻烦。 21
C = ，此时可认为是线性的。 C0 0
也就是说，在 / 0 很小时，才有近似的线性输出。
C C0 A 灵敏度S 2 0 0
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极距变化型电容传感器的特点：动态特性好，灵 敏度和精度较高（可达纳米级），适用于较小位 移的精密测量，一般用来测量微小的线位移或由 于力、压力、振动等引起的极距变化。
图所示的电桥型电路，是一种电感、电容组成的桥 路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、 滤波后获得输出，再推动显示仪表。
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2.1 电桥型电路 如下图所示为电容传感器介入变压器电桥测量 电路，它可分为单笔接法和差动接法两种
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（1）单臂接法
如图（a）所示为单臂接法的变压器桥式 测量电路，高频电源经变压器街道电容桥 的一个对角线上，电容C1、C2、C3和 Cx构成电桥的四个臂，其中Cx为电容传 感器 当传感器为工作时，交流电桥处于平衡 状态， 有：
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1.2 面积变化型电容传感器
1.2.1直线位移型
当动板沿x方向移动时，相互覆盖面积发生了变化，电容量随 之改变，其输出特性为：
bx C
其中，b为极板宽度，x为位移， 为极板间距。
C b 灵敏度S 常数 x
由上式可知，面积变化型线位移传感器的输出C与其输入 （极板覆盖面积的改变）呈线性关系。
C0

0
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由上式可知，被测参数引起的极距变化 与电容的变化C之间的关系 是非线性的，由非线性引起的误差为
2 3 n
= + + 0 0
当 0 1时，可略去高次项，即
+ 0
2.克服边缘效应的影响
实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略； 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。
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3.克服静电引力的影响
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。