第四章电容型传感器与测量电路

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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
由式(4-1)可知,当A、δ或
A  0 r A
C 

(4-1) ε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、δ或ε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
图4-1 平板电容器
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(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(0.01~0.1μ 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εr和A为常数,
初始极距为δ0,由式(4-2)可知其初始电容量C0为

0 r A
C0 
0
当动极板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ时,电
容量增大ΔC,则有
1

 0 r A
0
 C0
 2
 0  
1 (
)
0
当Δδ<<δ0时, 1  (  )2 ,则
1
C0  C 
C  C0 (1 

0
0
)
可见,传感器输出特性C=f(δ)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46(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=εab/δ。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
b(a  x)
b
C  C0  C 
 C0  x


式中:a、b——极板的宽度和长度,电容变化量为:
b
b
S

灵敏度S为
C  C0  C  x


图4-6 变面积型电容传感器
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δ,选取高介
电常数ε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、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
C
lb
  x
0
式中:l 、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
C 
bax
  x x

0


b(l  a x )

0
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
C 
2 0 h
2 (   0 )hx

D
D
ln
ln
d
d
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 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
C
uo  
u
Cx
将Cx=εA/δ代入式(4-17)得
C
u o  u

A
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δ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。
4.2.2 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△δ、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
振荡器的振荡频率为
1
f 
2 LC '
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
f0 
1
2 L(Co  Cc  C)
当传感器工作时,Cx=C0士△C,摄荡嚣的振荡频率为
1
f  f 0  f 
2 L(Co  C  Cc  C )
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0.01μm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4-11(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
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C1≠C2,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
R( R  2 RL )
Uo 
URL (C1  C2 ) f
2
( R  RL )
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/(C1-C2)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、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10pF~2pF的电容在5%~100%之间
变化时,其检测效果最好。
CAV414的温度适用范围为-40~+85℃,检测频率
为2kHz,可变电压范围为0~5/10V,参考电压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
CX
200KΩ
0…200KΩ 300KΩ
0…200KΩ 300KΩ
90KΩ 10KΩ
LPOUT
VM
63KΩ
5KΩ
100nF
1 ROSC
CAV414
CX1 16
2 RCX1
CL1 15
3 RCX2
CX2 14
4 RL
CL2 13
5 LPOUT
COSC 12
6 VM
VREF 11
7 GAIN
GND 10
8 VOUT
VCC 9
1
200×CX1 nF
CX
200×CX1 nF
2
1.6×CX1 nF
VREF
2.2μF
GND
100KΩ
VCC=6~35 V
VOUT
图4-12 CAV414的应用电路实例
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容CX的
1.6倍。而其基准振荡器的电流IOSC则可由下式决定:
I OSC
VM

ROSC
基准振荡器的振荡频率fosc为:
f OSC
I OSC

2VOSC (COSC  C INT  C EXT )
式中:ΔV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0~0.75Pa的微小
压差。
图4-14 差动电容式压力传感器
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4-18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 图4-20 人体电容接近开关电路图
构成一个电容器,参与振荡回
路的工作。
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,输出的电压为低电平。否则,振荡器正常振荡,输
出高电平。