电容式传感器及其应用

时间：2022-10-11 百科知识版权反馈

【摘要】：［21，22］图4-26所示为由电容式传感器构成的力平衡式挠性加速度计。扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。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。当被测液面高度发生变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化，从而引起电容量的变化。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传感器两极。

4.4　电容式传感器及其应用

随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显:（1）分辨力极高，能测量低达10^-7的电容值或0.01μm的绝对变化量和高达（ΔC/C）＝100%～200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；（2）动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性；（3）结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境（除高湿外）的适应性较强；（4）过载能力强。下面介绍它的几种典型结构及其应用。

4.4.1　电容式位移传感器

图4-22所示为一种变面积型电容式位移传感器。它采用差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变化。它用于接触式测量，电容与位移呈线性关系。

图4-23所示为差动式梳齿形容栅传感器的极板示意图。极板上制有多个栅状电极。定极板（又称长栅）上等间隔交叉配置两组极栅；动、定极板以一定间隙（δ）上下配置，构成差动结构，它实际是多个差动式变面积型电容传感器的并联；为测量大位移，长栅制成更多的栅状电极。设计这种传感器时，一般使动、定极板有相同的极距p和栅宽（a＝b），且a＝b＝（0.3～0.6）p时，传感器有较好的线性度和灵敏度；还要注意选择动、定极板基体绝缘材料，它对线性度和灵敏度有影响；电极表面应覆盖保护性涂层，电极厚度应做得尽量薄。

图4-22　电容式位移传感器

1—测杆；2—开槽簧片；3—固定电极；4—活动电极

图4-23　容栅传感器的极板结构

图4-24所示为多极片型容栅传感器极板示意图。两极板（动尺和定尺）相对、平行安装，动尺上有一列多组尺寸相同、宽度为l₀的小发射电极片1、2、3…8，定尺上设有一列尺寸相同、宽度和间隔均为4l₀的接收电极片。电极片间互相电绝缘。当动尺沿设定方向移动时，发射极片与接收极片间电容变化。当在发射极片1、2…8加激励电压时，通过电容耦合，在接收电极上产生与相对位置有关的电荷输出。采用不同的激励电压及相应的测量电路，则可得到幅值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信号。

图4-24　多极片型容栅传感器结构示意图

图4-25　调相式原理示意图

调相式测量电路如图4-24和图4-25所示。容栅传感器动尺上发射电极片每八片一组，分别加上u₁～u₈八个等幅、同频、相位依次相差π/4的方波激励电压。根据谐波分析理论可知方波由其基波与奇次谐波之和组成，因此仍可用正弦波进行分析。设动尺相对定尺的初始位置及各小发射电极片施加不同相位的激励电压如图4-25所示，且各发射电极片与接收电极片全遮盖时的电容均为C₀，当位移x≤l₀（小发射电极片宽度）时，在接收电极片n上的感生电荷为

因此感生电压u_R为

式中，为感生电压幅值，近似为一常数，ω为激励电压角频率。通常采用相位跟踪测量法测出相位角θ，便可测出位移x值。该法具有很强的抗干扰能力，但存在理论非线性误差（约为0.01l₀）和高次谐波，影响测量精确度。

容栅与光栅一样具有误差平均效应，因此测量精度很高。目前已制成的电子数字显示卡尺，就是一例，它配用细分电路后，可检测10μm的微位移，测量范围为0～150mm。^{［21，22］}

4.4.2　电容式加速度传感器

图4-26　电容式挠性加速度传感器

图4-26所示为由电容式传感器构成的力平衡式挠性加速度计。敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成；并由石英挠性梁弹性支承，其稳定性极高。固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构；两极面均镀金属膜形成电极。由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式力发生器，互为推挽结构，这大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。

工作时，质量组件敏感被测加速度，使电容传感器产生相应输出，经测量（伺服）电路转换成比例电流输入力发生器，使其产生一电磁力与质量组件的惯性力精确平衡，迫使质量组件随被加速的载体而运动；此时，流过力发生器的电流，即精确反映了被测加速度值。

在这种加速度传感器中，传感器和力发生器的工作面均采用微气隙“压膜阻尼”，使它比通常的油阻尼具有更好的动态特性。典型的石英电容式挠性加速度传感器的量程为0～150m/s²，分辨力1×10^-5m/s²，非线性误差和不重复性误差均不大于0.03%F.S。

4.4.3　电容式力和压力传感器

图4-27所示为大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化，从而引起由该电容组成的振荡频率变化。频率信号经计数、编码，传输到显示部分。

图4-28为一种典型的小型差动电容式压差传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片（图中被夸大）可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙δ₀，δ₀越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。这种传感器可与图4-19所示差动脉冲调宽电路相联构成测量系统。

图4-27　电容式称重传感器

1—动极板；2—定极板；3—绝缘材料；4—弹性体；5—极板支架

图4-28　电容式压差传感器

4.4.4　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4-29（a）所示为用于检测非导电液体介质的电容传感器。当被测液面高度发生变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化，从而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为ε₁，而液面以上部分介质的介电常数为ε₂，则其电容量为

式中，H——传感器插入液面的深度；

图4-29　电容式物位传感器

（a）液位传感器；（b）料位传感器

L——两电极板相互覆盖部分的长度；

D，d——分别为外电极的内径和内电极的外径。电容的变化为

由上式可见，两种介质介电常数差别（ε₁-ε₂）愈大、极径D与d相差（即极距）愈小，传感器灵敏度就愈高。

上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板必须与被测介质绝缘。

图4-29（b）所示为电容式料位传感器，用来测量非导电固体散料的料位。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传感器两极。设D与d分别为容器的内径和电极棒外径；ε₀、ε分别为空气和物料的介电常数，则电容变化与物位升降关系为

除上述应用外，电容式传感器还可用于转速测量与金属零件计数等，这里不再赘述。

习题与思考题

4-1　电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？

4-2　试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差。

4-3　为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？

4-4　电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？

4-5　为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？

4-6　简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。

4-7　试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。

图P4-1

4-8　在压力比指示系统中采用的电容传感元件及其电桥测量线路如图P4-2所示。已知:δ₀＝0.25mm，D＝38.2mm，R＝5.1kΩ，U＝60V（AC），f＝400Hz。试求:当电容传感元件活动极板位移Δδ＝10μm时，输出电压U_o的值。

图P4-2

4-9　变间隙（极距）式电容传感元件如图P4-3所示。若初始极板距离δ₀＝1mm，当电容C的线性度规定分别为0.1%、1.0%、2.0%时，求允许的间隙最大变化量Δδ_max＝？

4-10　有一台变极距非接触式电容测微仪，其极板间的极限半径r＝4mm，假设与被测工件的初始间隙δ₀＝0.3mm，试求:

1）若极板与工件的间隙变化量Δδ＝±10μm时，电容变化量为多少？

2）若测量电路的灵敏度K_u＝100mV/pF，则在Δδ＝±1μm时的输出电压为多少？

图P4-3

图P4-4

4-11　差动非接触式电容位移传感器如图P4-4所示，由四块置于空气中的平行平板组成。其中极板A、C和D是固定的，极板B可如图示移动，其厚度为t，并距两边固定极板的距离为δ。极板B、C和D的长度为l，极板A的长度为2l。所有极板的宽度均为b，极板C与D之间的间隙以及边缘效应可以忽略。试导出极板B从中点移动x＝±l/2时电容C_AC和C_AD的表达式，x＝0为对称位置。