【文章內(nèi)容簡介】 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級本科畢業(yè)論文 6 電容式傳感器的類型 實際應(yīng)用中，常常僅改變 A、 d 和 ε之中的一個參數(shù)來使 C 發(fā)生變化，所以電容式傳感器可分為三種基本類型：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。 變極距型一般用來測量微小的線位移；變面積型一般用于測量角位移或較 大的線位移；變介電常數(shù)型常用于固體或液體的物位測量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測定 [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 因被測量變化而變化 d? 時 ，電容變化量 為 C? ，那么電容相對變化量為 [18] 0CC? = 100 1??????? ??? dddd （ 22） 如果滿足條件 dd? 171。 1，將上式按級數(shù)展開成 0CC? = ???????? ?????????? ???????? ?????320 1 ddddddd d （ 23） 式中 0C ——— 極距為 0d 時的初始電容量。 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實際中常常作成差動式來改善其非線性。 變面積型電容傳感器 通過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)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。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，其中一個圓筒固定嗎，另外一個同心圓筒沿著軸線方向移動，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 電容 為 0C =dDlkln? （ 24） 式中 l ——— 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度； D 、 d ——— 外圓筒內(nèi)徑和內(nèi)圓柱外徑。 當(dāng)兩圓筒相對移動 x? 時，電容變化量 C? 為 C? = 0C?xC = ? ?dDlkdDxlklnln?? ??? = lxC?? 0 （ 25） 可見 這類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 ，只是它是通過改變兩筒間的介質(zhì)（介電常數(shù)）來改變其電容量，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測量電介質(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 改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。 電容式傳感器等效電路 實際上，我們對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。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、高濕及高頻激勵的條件下工作時，那就不能忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響，這時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、高頻激勵工 作時的串聯(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用性能的關(guān)鍵之處。可見，在實際應(yīng)用中，特別是在高頻激勵時，尤需要考慮 L 的存在，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定。 另外，由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時，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足極板間初始距離 0d 遠(yuǎn)大于輸入量 d? 時（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型的傳感器時， 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 ，以滿足 0d d? 的條件，但 0d 增大會引起 0C 減小，因而靈敏度 S 降低。且當(dāng) 0d 較小時，寄生電容的作用要增大，因而影響檢測精度。 若用一組差動電容式傳感器，當(dāng)滿足 0d d? 時，靈敏度為 S= dC?? = 002dC （ 29） 可見靈敏度比單極式提高一倍。 因此一般采用差動 式結(jié)構(gòu)，減小非線性誤差，同時由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。 江蘇大學(xué) 2020級本科畢業(yè)論文 10 電容式傳感器特點 及發(fā)展方向 電容式傳感器的優(yōu)點 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)簡單，適應(yīng)性強 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量。電容式傳感器一般用金屬作電極、以無機材料作絕緣支承，因此能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變 化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。 動態(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，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。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。它還可以用于測量高速變化的參數(shù)。 可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)采用非接觸測量時，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測量的影響。 電容式傳感器除 上述優(yōu)點之外，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，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題。 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)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。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圍環(huán)境的影響。 寄生電容影響大 江蘇大學(xué) 2020級本科畢業(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、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(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變化的，將使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜的選擇、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，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，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)致電容式傳感器測量電路復(fù)雜的缺點。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)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服，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線接入代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸；為克服電容器掛料問題，采用射頻導(dǎo)納加以改進。另 一方面充分開發(fā)測量系統(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算與邏輯判斷功能，故可以方便地對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行存儲記憶、比較分析、并能夠?qū)嶋H物位的電容量變化進行實時監(jiān)控、自動校正；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 本論文要求對微小位移進行測量，歸根結(jié)底就是測量微小電容，結(jié)合以上 電容式傳感器的相關(guān)知識及設(shè)計要求，最終確定采用如圖所示的變極距式的差動電容傳感器結(jié)構(gòu)， 江蘇大學(xué) 2020級本科畢業(yè)論文 12 圖 差動式電容傳感器結(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，中間的板為可移動極板?？蓜訕O板用于反應(yīng)機械位移，因為動極板的移動會引起傳感器的電容變化。另外，此結(jié)構(gòu)配以合適的測量電路將可以判斷動極板運動的方向，這是一般 的傳感器結(jié)構(gòu)所無法達(dá)到的?？傊顒邮浇Y(jié)構(gòu)的引入減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了靈敏度。 方案具體實施及注意點 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應(yīng)特別小心。首先，將三塊金屬板通過焊錫分別與三根細(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；然后用三個有機玻璃條（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玻璃條（絕緣夾子）的另一端固定于螺旋測微儀的尺架上，固定動極板的絕緣材料的另一端固定于螺旋測微儀的測微螺桿上，轉(zhuǎn)動測微儀 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。 在搭建過程應(yīng)注意一下幾點： （ 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，但間距過小，容易引起電容器擊穿或短路。 （ 5） 接入電路時，應(yīng)保證傳感器沒有雜亂導(dǎo)線或電信號干擾。 另外，三個極板初始板間距可以由公式（ 21）計算得到，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 即板間正對面積，在 這里即為圓板的面積。通過測量圓板半徑為 ，帶入公式計算得到，板間初始距離 0d =。 江蘇大學(xué) 2020級本科畢業(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，分析了電容式傳感器測量的原理及測量的誤差來源，然后通過比較確定了本設(shè)計中采用的傳感器結(jié)構(gòu)，提出最優(yōu)化設(shè)計方案，即差動式電容位移傳感器，同時對具體設(shè)計方法進行闡述說明，對設(shè)計時的注意點提出要求。 江蘇大學(xué) 2020級本科畢業(yè)論文 14 第三章 常用的電容式傳感器測量電路 電容位移傳感器將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電容的變化量 后，必須采用測量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號等，這種測量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。目前廣泛使用的測量方法有： 調(diào)頻法、交流電橋法、雙