【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 映線位移或角位移的變化，也可以間接反映彈力、壓力等變化； ε 的變化，則可以反映液面高度、材料的濕度等的變化 [15]。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 6 電容式傳感器的類(lèi)型 實(shí)際應(yīng)用中，常常僅改變 A、 d 和 ε之中的一個(gè)參數(shù)來(lái)使 C 發(fā)生變化，所以電容式傳感器可分為三種基本類(lèi)型：改變極板距離 d 的變極距（變間隙）型；改變面積 A 的變面積型；改變介電常數(shù) ε 的變介電常數(shù)型。 變極距型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移；變面積型一般用于測(cè)量角位移或較 大的線位移；變介電常數(shù)型常用于固體或液體的物位測(cè)量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測(cè)定 [16,17]。 變極距型電容傳感器 變極距型電容傳感器是利用改變極板間距來(lái)改變電容量的一種可變傳感器。由式（ ）可知，當(dāng)電容式傳感器極板間距 d 因被測(cè)量變化而變化 d? 時(shí) ，電容變化量 為 C? ，那么電容相對(duì)變化量為 [18] 0CC? = 100 1??????? ??? dddd （ 22） 如果滿(mǎn)足條件 dd? 171。 1，將上式按級(jí)數(shù)展開(kāi)成 0CC? = ???????? ?????????? ???????? ?????320 1 ddddddd d （ 23） 式中 0C ——— 極距為 0d 時(shí)的初始電容量。 該類(lèi)型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際中常常作成差動(dòng)式來(lái)改善其非線性。 變面積型電容傳感器 通過(guò)改變極板的有效面積可制成變面積型電容傳感器。變面積型電容 傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，這里介紹一種同心圓筒形線位移電容式傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 ， 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 7 圖 圓筒形線性位移電容傳感器 Cylindrical Linear Capacitive Displacement Sensor 它是由套在一起并具有一定高度的兩個(gè)通信金屬圓筒的內(nèi)、外表面所形成的電容傳感器，其中一個(gè)圓筒固定嗎，另外一個(gè)同心圓筒沿著軸線方向移動(dòng)，構(gòu)成相互覆 蓋面積可變化的電容傳感器。 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí) 電容 為 0C =dDlkln? （ 24） 式中 l ——— 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度； D 、 d ——— 外圓筒內(nèi)徑和內(nèi)圓柱外徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) x? 時(shí)，電容變化量 C? 為 C? = 0C?xC = ? ?dDlkdDxlklnln?? ??? = lxC?? 0 （ 25） 可見(jiàn) 這類(lèi)傳感器具有良好的線性。 變介電常數(shù)型電容傳感器 與上述的圓筒形線性位移傳感器結(jié)構(gòu)相似，如圖 ，只是它是通過(guò)改變兩筒間的介質(zhì)（介電常數(shù)）來(lái)改變其電容量，利用該原理可制成變介電常數(shù)型電容傳感器。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 8 圖 變介電常數(shù)型電容傳感器 Variable Dielectric Constant Type Capacitance Sensor 假設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 1? ，液面高度為 h ，傳感器總高度為 H ，外筒內(nèi)徑為 D ，則此時(shí)傳感器電容值為 ? ? hdDhHdDhCln2ln2 1 ??? ???? （ 26） ? ? ?dDhCln2 10 ??? ??? ? KhC?0 （ 27） 其中dDHCln20 ??? ，容易看出，電容變化與介質(zhì)的介電常數(shù)呈線性關(guān)系。 因此 變介電常數(shù)型電容傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度 的 改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。 電容式傳感器等效電路 實(shí)際上，我們對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗 的一般情況下也是可行的。但若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作時(shí)，那就不能忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響，這時(shí)電容傳感器可以等效為圖 所示 [18]。 圖中 C 為傳感器電容， pR 為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗； sR 為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工 作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 9 圖 電容傳感器的等效電路 The Equivalent Circuit of The Capacitive Sensor 阻； L 為電容器及引線電感； pC 為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之處。可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需要考慮 L 的存在，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。 另外，由等效電路可知，它有一個(gè)諧振頻率，通常幾十兆赫。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，否則電容傳感器不能正常工作。 電容式傳感器的靈敏度和非線性 電容式傳感器的靈敏度即為輸出電容的 變化 量和輸入非電量 （位移，壓力等） 的比值，用 S 表示。變極距式電容傳感器只有在滿(mǎn)足極板間初始距離 0d 遠(yuǎn)大于輸入量 d? 時(shí)（即 d? / 0d 1 ），才能近似認(rèn)為是線性的。其靈敏度為 S= dC?? ≈ 00dC （ 28） 式中 0C ——— 傳感器的初始電容值； 0d ——— 極板間的初始距離。 由此可知在使用這種類(lèi)型的傳感器時(shí)， d? 的范圍不應(yīng)太大，欲在較大范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)卦龃?0d ，以滿(mǎn)足 0d d? 的條件，但 0d 增大會(huì)引起 0C 減小，因而靈敏度 S 降低。且當(dāng) 0d 較小時(shí)，寄生電容的作用要增大，因而影響檢測(cè)精度。 若用一組差動(dòng)電容式傳感器，當(dāng)滿(mǎn)足 0d d? 時(shí)，靈敏度為 S= dC?? = 002dC （ 29） 可見(jiàn)靈敏度比單極式提高一倍。 因此一般采用差動(dòng) 式結(jié)構(gòu)，減小非線性誤差，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 10 電容式傳感器特點(diǎn) 及發(fā)展方向 電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量。電容式傳感器一般用金屬作電極、以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此能工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變 化，承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等；能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小、很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它還可以用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 電容式傳感器除 上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題。 不足之處 輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此還要特別注意周?chē)h(huán)境的影響。 寄生電容影響大 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 11 電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等 “ 寄生電容 ” 卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。 輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效 應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 上述不足直接導(dǎo)致電容式傳感器測(cè)量電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服，成為一種大有發(fā)展前途的傳感器。 相關(guān)電路將在第三章詳細(xì)介紹。 發(fā)展方向 電容式傳感器的發(fā)展方向就是一方面加強(qiáng)電容式傳感器變換電路的集成度，為了克服寄生電容的影響，盡量將電路和傳感器連接得緊密些或者干脆做成一體或采用無(wú)線接入代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸；為克服電容器掛料問(wèn)題，采用射頻導(dǎo)納加以改進(jìn)。另 一方面充分開(kāi)發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的智能化，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專(zhuān)用的微處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起。由于微處理器具有計(jì)算與邏輯判斷功能，故可以方便地對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶、比較分析、并能夠?qū)?shí)際物位的電容量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)校正；從而有效地解決了以往受寄生電容影響、導(dǎo)致電容式傳感器準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、及可靠性差的技術(shù)難題，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性 [19]。 提出方案 本論文要求對(duì)微小位移進(jìn)行測(cè)量，歸根結(jié)底就是測(cè)量微小電容，結(jié)合以上 電容式傳感器的相關(guān)知識(shí)及設(shè)計(jì)要求，最終確定采用如圖所示的變極距式的差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)， 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 12 圖 差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu) Differential Capacitive Sensor Structure 三塊相同金屬板上下平行放置，其中最上面的板和最下面的板固定住，中間的板為可移動(dòng)極板。可動(dòng)極板用于反應(yīng)機(jī)械位移，因?yàn)閯?dòng)極板的移動(dòng)會(huì)引起傳感器的電容變化。另外，此結(jié)構(gòu)配以合適的測(cè)量電路將可以判斷動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)的方向，這是一般 的傳感器結(jié)構(gòu)所無(wú)法達(dá)到的?？傊?，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的引入減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了靈敏度。 方案具體實(shí)施及注意點(diǎn) 電容式傳感器初始電容小，很容易受外界環(huán)境影響，因此在搭建平行板時(shí)應(yīng)特別小心。首先，將三塊金屬板通過(guò)焊錫分別與三根細(xì)金屬絲（即為電容傳感器的引出線）焊接在一起，金屬絲表面漆有絕緣漆以防接觸短路；然后用三個(gè)有機(jī)玻璃條（或是絕緣夾子）分別粘在金屬板上；固定上極板與下極板的有機(jī)玻璃條（絕緣夾子）的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的尺架上，固定動(dòng)極板的絕緣材料的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的測(cè)微螺桿上，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微儀 的旋鈕，既改變電容有能直接讀出位移量，這樣電容傳感器就完成了。 在搭建過(guò)程應(yīng)注意一下幾點(diǎn)： （ 1） 金屬板表面一定要保持光潔，切勿彎曲； （ 2） 未與金屬板焊接的導(dǎo)線應(yīng)相互絕緣，不可掉漆短路； （ 3） 三塊板應(yīng)盡量保證平行，不可傾斜； （ 4） 板間距應(yīng)合理。小的間距可提高傳感器的靈敏度，但間距過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。 （ 5） 接入電路時(shí)，應(yīng)保證傳感器沒(méi)有雜亂導(dǎo)線或電信號(hào)干擾。 另外，三個(gè)極板初始板間距可以由公式（ 21）計(jì)算得到，一般變極距電容式傳感器的起始電容在 20100pF 之間，在這里選取 30pF，式中 A 即板間正對(duì)面積，在 這里即為圓板的面積。通過(guò)測(cè)量圓板半徑為 ，帶入公式計(jì)算得到，板間初始距離 0d =。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 13 本章小結(jié) 本章主要介紹了電容式傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，分析了電容式傳感器測(cè)量的原理及測(cè)量的誤差來(lái)源，然后通過(guò)比較確定了本設(shè)計(jì)中采用的傳感器結(jié)構(gòu)，提出最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即差動(dòng)式電容位移傳感器，同時(shí)對(duì)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述說(shuō)明，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)提出要求。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 14 第三章 常用的電容式傳感器測(cè)量電路 電容位移傳感器將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電容的變化量 后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號(hào)等，這種測(cè)量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。目前廣泛使用的測(cè)量方法有： 調(diào)頻法、交流電橋法、雙