電容傳感器及測量電路分享課件

1、1第四章第四章 電容傳感器電容傳感器2電容傳感器：被測物理量變化導致傳感器的電容量變化電容傳感器：被測物理量變化導致傳感器的電容量變化通過測量電容量的變化通過測量電容量的變化實現非電物理量的電測量實現非電物理量的電測量34.1 電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的工作原理和結構 由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應如果不考慮邊緣效應, 其電容量為其電容量為) 14(0dSdScr式中式中: C 電容量，電容量，F(F(法拉）法拉） 電容極板間介質的介電常數電容極板間介質的介電常數, =0r, 0為真空介電常數為

2、真空介電常數, r 為極板間介質相對介電常數為極板間介質相對介電常數; S 兩平行板所覆蓋的面積（兩平行板所覆蓋的面積（m2）; d 兩平行板之間的距離兩平行板之間的距離(m)。 4對電容有影響的參數對電容有影響的參數有效面積有效面積S、間距間距d，相對介電常數相對介電常數r 當被測參數變化使得式（當被測參數變化使得式（4- 1）中的）中的S、d或或 （ r r）發(fā)變化時發(fā)變化時, 電容量電容量C也隨之變化。也隨之變化。如果保持其中兩個參數不變如果保持其中兩個參數不變, 而僅改變其中一個參數而僅改變其中一個參數, 就可把就可把該參數的變化轉換為電容量的變化該參數的變化轉換為電容量的變化, 通過

3、測量電路就可轉換為通過測量電路就可轉換為電量輸出。因此電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。變介質型三種類型。5一、變面積（一、變面積（S）型）型改變平板電容器有效截面積的方法：改變平板電容器有效截面積的方法：直線位移角位移（旋轉）61. 角位移式角位移式當動極板有一個角位移當動極板有一個角位移時時, , 動極板與定極板間的有效面積就動極板與定極板間的有效面積就改變改變, , 從而改變了兩極板間的電容量。從而改變了兩極板間的電容量。收音機中的收音機中的調諧電容就調諧電容就是這種形式是這種形式7當當=0 時時, 兩平板之間

4、的有效面積為兩平板之間的有效面積為S。當旋轉當旋轉角時。對于圖角時。對于圖4-1（a）所示結構的平板電容器，有效面）所示結構的平板電容器，有效面積變?yōu)榉e變?yōu)?24()()1 (FdSdSC)1 ( SS電容量變?yōu)殡娙萘孔優(yōu)殡娙萘侩娙萘緾 C 與角位移量與角位移量線性比例線性比例, 增大，電容量增大，電容量C C 變變小小8靈敏度靈敏度dSddCK靈敏度與角位移無關靈敏度與角位移無關對于某個具體的變角位移電容傳感器，對于某個具體的變角位移電容傳感器，S、d、是常數是常數靈敏度是常數。靈敏度是常數。92. 直線位移型直線位移型當動片當動片1相對于定片相對于定片2有一直線位移有一直線位移x時時, 兩

5、極板之間的有效面積兩極板之間的有效面積就改變就改變, 從而改變了兩極板間的電容量。從而改變了兩極板間的電容量。10在初始位置，動片與定片無相對位移，有效面積在初始位置，動片與定片無相對位移，有效面積)44()()(FdxabdSCXX)(xabSX電容量變?yōu)殡娙萘孔優(yōu)殡娙萘侩娙萘緾 CX X與位移量與位移量x線性比例線性比例, x增大，電容量增大，電容量C CX X變小變小baS動片移動動片移動x,有效面積有效面積11靈敏度靈敏度)54( dbdxdCKxx靈敏度與位移靈敏度與位移x無關無關對于某個具體的變角位移電容傳感器，對于某個具體的變角位移電容傳感器，b、d、是常數是常數靈敏度是常數。靈

6、敏度是常數。12二、二、 變介質介電常數（變介質介電常數（）型）型不同的電介質不同的電介質具有不同的具有不同的介電常數介電常數變介質變介質常用于常用于l測液體容量（例如飛機油箱的測液體容量（例如飛機油箱的油量）油量）l液位高低液位高低l也可用于檢測片狀（薄膜）電也可用于檢測片狀（薄膜）電介質的厚度介質的厚度131. 電容測液位電容測液位對于該圖所示電容液位計對于該圖所示電容液位計高度為高度為h1的一部分的一部分液位計液位計)64()/ln(2111rRhC總電容相當于總電容相當于C1、C2并聯并聯高度為高度為h2的一部分的一部分)74()/ln(2222rRhCC2C2C1C1C2C214故總

7、電容故總電容我們需要檢測的是我們需要檢測的是h1)84()/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln(2112122111221121BhAhrRrRhrRhhrRhrRhrRhCCC152. 電容測厚電容測厚待測電介質厚度為待測電介質厚度為d0,平板電容傳感器兩極板間距平板電容傳感器兩極板間距d待測電介質厚度為待測電介質厚度為d1,平板電容傳感器兩極板間距平板電容傳感器兩極板間距d基本間的空氣介質厚度基本間的空氣介質厚度 d0=d-d1)74()/ln(2222rRhC16對于該結構，可以認為是由空氣介質、電介質構成的兩個電容對于該結構，可以認為是由空氣介質、

8、電介質構成的兩個電容C0，C1串聯串聯C可以方便的測量，可以方便的測量，電介質厚度電介質厚度d1也就可以測量也就可以測量101001dSCdSCr)104() 11(101010ddSCCCCCr可以得出總的電容可以得出總的電容C為：為：17三、變極板距離三、變極板距離(d )型型圖圖 4- 4 為變極距型電容式傳感器的原理圖。為變極距型電容式傳感器的原理圖。0000dSdScr當傳感器的r和S為常數, 初始極距為d0時, 由式（4- 1）可知其初始電容量C0為18 若電容器極板間距離由初始值d0縮小x, 電容量增大C, 則有2020000000)(1111dxdxCdxCdxdSxdSdSC

9、x 由該式可知, 傳感器的輸出特性Cx =f(x)不是線性的。 由于1)(20dx)124()1 (00dxCCx19 在d0較小時, 對于同樣的d變化所引起的C可以增大, 從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小, 容易引起電容器擊穿或短路,同時對制造和使用要求也提高。 為解決間隙小而造成的耐壓低問題，可以在極板間使用特殊的絕緣材料，例如云母、聚酰亞胺等20一般變極板間距離電容式傳感器：起始電容在 20100pF之間 極板間距離在25200m的范圍內 最大位移應小于間距的1/10, 這類傳感器在微位移測量中應用最廣。 21單電容傳感器的特點單電容傳感器的特點優(yōu)點：結構簡單優(yōu)點：結構簡單缺點：線性度

10、低、靈敏度低缺點：線性度低、靈敏度低22四、差動電容傳感器四、差動電容傳感器單電容傳感器：具有結構簡單的優(yōu)點單電容傳感器：具有結構簡單的優(yōu)點 缺點：缺點： 線性度低、靈敏度低線性度低、靈敏度低差動電容傳感器可以提高線性度和靈敏度。差動電容傳感器可以提高線性度和靈敏度。差動電容傳感器有兩種結構差動電容傳感器有兩種結構l變間距變間距dl變面積變面積S231. 變間距變間距d將兩個邊檢舉行電容傳感器組合構成將兩個邊檢舉行電容傳感器組合構成中間基板上下移動。中間基板上下移動。（1）初始位置：）初始位置：000021dSdSCCCr中間基板上下移動。中間基板上下移動。d1與與d2一個增加一個減小一個增加

11、一個減小上下兩個極板與中間極板上下兩個極板與中間極板構成的電容其電容量一個構成的電容其電容量一個增加一個減小增加一個減小差動差動24（2） 上移上移差動輸出差動輸出XdSC01XdSC02200021)(12dXdXCXdSXdSCCCd1=d-|d1=d-|x|, d2= d1=d+|x|, d2= d1=d+|x|, x|, 25對于電容傳感器，對于電容傳感器，X相對于相對于d比較小（小于比較?。ㄐ∮?/10）靈敏度增加了靈敏度增加了輸出量輸出量C與位移量與位移量X近似為線性關系。近似為線性關系。dXCCdX02126（3） 下移下移差動輸出差動輸出XdSC01XdSC02200021)(

12、12dXdXCXdSXdSCCCd1=d+|d1=d+|x|, d2= d1=d-|x|, d2= d1=d-|x|, x|, 27對于電容傳感器，對于電容傳感器，X相對于相對于d比較小（小于比較?。ㄐ∮?/10）當考慮當考慮x量，上移大于量，上移大于0，下移小于，下移小于0，則，則dXCCdX0221)(靈敏度增加了靈敏度增加了輸出量輸出量C與位移量與位移量X近近似為線性關系。似為線性關系。dXCdxdxCC0202)(122282. 變有效面積變有效面積S兩個圓筒形電容器兩個圓筒形電容器內電極上下移動內電極上下移動（1）初始位置）初始位置（2） 上移上移（3）下移）下移121122rhSr

13、hS中間圓筒電極中間圓筒電極與上下兩個外與上下兩個外圓筒的間隙很圓筒的間隙很小，小，有效面積可以有效面積可以按照按照2r2r計算計算29第二節(jié)第二節(jié) 測量電路測量電路電容傳感器的輸出電容值：幾皮乏電容傳感器的輸出電容值：幾皮乏幾十皮乏幾十皮乏通過測量電路進行測量通過測量電路進行測量30一、測量電橋一、測量電橋1.單臂橋單臂橋（1）初始狀態(tài)）初始狀態(tài)CX=C3=CUO=0B BA A31（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C=C-CUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO42232（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C

14、=C+CUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO422332. 差動橋差動橋C1、C2為差動電容為差動電容（1）初始狀態(tài)）初始狀態(tài)C11=C2=C（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)C1=C+CC2=C-C（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)C1=C-CC2=C+C34（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C1=C+C,C2=C-C這里的激勵信號為單臂橋的這里的激勵信號為單臂橋的2倍（倍（2U），如果還是按照單臂橋的），如果還是按照單臂橋的激勵信號為激勵信號為U，則信號增強了，則信號增強了1倍倍電容變化與電容變化與UO變化的非線性被消

15、除變化的非線性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO) 1(35（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C1=C-C,C2=C+C這里的激勵信號為單臂橋的這里的激勵信號為單臂橋的2倍（倍（2U），如果還是按照單臂橋的），如果還是按照單臂橋的激勵信號為激勵信號為U，則信號增強了，則信號增強了1倍倍電容變化與電容變化與UO變化的非線性被消除變化的非線性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO) 1(363， 緊耦合橋緊耦合橋（1） 初始狀態(tài)初始狀態(tài)（2）C1=C+C，C2=C-C（3） C1=C-C，C2=C+C37二、差動脈沖調制電路二、差動脈沖調制電路一種電路原理如圖一種電路原理如