第3章 電容式傳感器

1、12電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測量范圍大測量范圍大靈敏度高靈敏度高動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短機(jī)械損失小機(jī)械損失小結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器的不足之處：電容式傳感器的不足之處：寄生電容影響較大寄生電容影響較大當(dāng)電容傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測量時(shí)具有非線性當(dāng)電容傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測量時(shí)具有非線性輸出特性輸出特性30r0rAACdd 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)400ACd012000200(1)(1)(1)dAdAACdddddddd當(dāng)當(dāng)dddd0 0時(shí)，時(shí)， 則式（則式（3-33-3）可化簡為）可化簡為22011dd（3-3）01000

2、0(1)dAddCCCdd（3-4）5000ggACdd （3-5）若極距變化為若極距變化為d，則，則000ggACddd 云母的相對介電系數(shù)，云母的相對介電系數(shù)， =70gg空氣的介電系數(shù)，空氣的介電系數(shù)， =10gd云母片的厚度云母片的厚度0d空氣隙厚度空氣隙厚度6120ddd00ACd1020,ddd ddd110000(1)AdCCCCddd120000(1)AdCCCCddd700000lbCr00000rCCbKll l0b00l00000)(llbCCCr8)1 (00ACCCr，0)1 (0C0CC)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC00llCCRr0ll)(

3、2000rRlnlCrACr00，09000212lbCCCr0201,000ACCCr0011C12l00002111lbCCCr2000022lbr2011C10BACCC1211022111)(llbbl21010blC21212101001llCCCACBC12121l0l12212lbCdddd2d2l1121CCC)(2)()(2110100rRlnlrRlnll）（1)(2)(211000rRlnlrRlnl1nlmC1l2l0l10r2R212五、五、 電容式位移傳感器的結(jié)構(gòu)形式電容式位移傳感器的結(jié)構(gòu)形式面積變化型面積變化型極距變化型極距變化型介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型線位移線位移角

4、位移角位移平板型平板型圓筒型圓筒型13六、電容式傳感器的輸出特性六、電容式傳感器的輸出特性差動電容傳感器發(fā)差動電容傳感器發(fā)生位移生位移d d時(shí)，傳感時(shí)，傳感器電容為器電容為)11()11(000001ddCdddAddAC)11(0002ddCddAC14若位移量若位移量d很小且，很小且， |d/d0|1，上面兩式按級數(shù)展開得，上面兩式按級數(shù)展開得)()()(1 3020001ddddddCC)()()(1 3020002ddddddCC電容量總得變化為電容量總得變化為)(22300021ddddCCCC電容量得相對變化為電容量得相對變化為)()(1 2402000ddddddCC略去高此項(xiàng)，

5、則略去高此項(xiàng)，則002ddCC差動電容式傳感器的相對非線性誤差差動電容式傳感器的相對非線性誤差r近似為近似為%100)(%100|2|)(2|20030ddddddr15對于單一電容傳感器對于單一電容傳感器0011ddCC按級數(shù)展開得按級數(shù)展開得1000)1 (ddddCC則則)()(1 (3020000ddddddddCC近似得線性關(guān)系為近似得線性關(guān)系為00ddCC非線性誤差為非線性誤差為%100|%100|)( |00201ddddddr16平板型改變面積的線位移傳感器的靈敏度平板型改變面積的線位移傳感器的靈敏度dblC平板型改變極距的線位移傳感器的靈敏度平板型改變極距的線位移傳感器的靈敏

6、度2dAdC平板型差動電容傳感器的靈敏度平板型差動電容傳感器的靈敏度202dAdC17第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路CjLjCje11LCCCe21LCCCCCee21222222)1 ()1 (1LCCLCCLCLCCCe18第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路LCCCf)(210210ffLCCCCf021)(210LCf21CCCCC021振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容引線分布電容引線分布電容傳感器電容傳感器電容0C190, 0 fC 0C200C21ZZEUSC41ZZEUSC21ZZEUSC補(bǔ)充：調(diào)幅電路補(bǔ)充：調(diào)幅電路ZZEUSC4

7、122二、諧振電路二、諧振電路諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定得高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定得高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容感器電容C3發(fā)生變化，諧振回路阻抗相應(yīng)變化，此變化表現(xiàn)為整流發(fā)生變化，諧振回路阻抗相應(yīng)變化，此變化表現(xiàn)為整流器電流的變化。該電流經(jīng)放大后可指示輸入量的大小。器電流的變化。該電流經(jīng)放大后可指示輸入量的大小。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高靈敏度高缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）工作點(diǎn)不容易選好，變化范圍較窄）工作點(diǎn)不容易選好，變化范圍較窄（2）傳感器與諧振回路要靠近）傳感器與諧振回路要靠近（3）振蕩器得頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于）振蕩器得頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于10-6的數(shù)量級的數(shù)量級23

8、三、運(yùn)算放大器式電路三、運(yùn)算放大器式電路0IIxIiUscUKxC0CaaiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ixSCUCCU0dACrx00, 0IUaiZK,ddUACUirSC0024實(shí)現(xiàn)輸出初始值為零得運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)輸出初始值為零得運(yùn)算放大電路0000011)(XXXiSCCCCCCCUUCX0傳感器初始電容值傳感器初始電容值當(dāng)當(dāng)CX0= C0時(shí)，時(shí)，) 1(210XiSCCCUU因此因此CX0與與C0的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料應(yīng)完全相同，以補(bǔ)償環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料應(yīng)完全相同，以補(bǔ)償環(huán)境溫度對測量的影響，及境溫度對測量的影響，及C0在電容傳感器在電容傳感器 CX檢測過程檢測過程中還

9、起到了參比測量的作用。中還起到了參比測量的作用。dACX將代入上式得代入上式得) 1(210AdCUUiSCUi25若若R1=R2=R，則輸出電壓平均值，則輸出電壓平均值若已知若已知RL，且令，且令常數(shù)）()()2(2MRRRRRRLLL則則)(21CCfMUUIO260, 1QQ1, 0QQ0DrcUU 1A0CrDUU 2A0UrU1A2A1R2R1D2DQQRS1C2CABCD雙穩(wěn)觸發(fā)器濾波器27tttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00UtttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00U21CC 21CC 28121212110UTTTUT

10、TTUUUBA12121UTTTT121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222112120UddddU112120UAAAAUdddddd0201，100UddUAUAAU1029差動脈沖調(diào)寬電路特點(diǎn)：差動脈沖調(diào)寬電路特點(diǎn)：u對元件無線性要求對元件無線性要求u經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出u不需要解調(diào)器不需要解調(diào)器u對輸出矩形波純度要求不高對輸出矩形波純度要求不高30六、電橋電路六、電橋電路211212ddCCZZ平衡條件平衡條件電橋輸出電壓電橋輸出電壓ZZUCjRCjUUiOiO21120R0:電容損耗電阻；電容損耗電阻；

11、C C：差動電容變化量：差動電容變化量C C0：當(dāng)：當(dāng)C C1=C=C2時(shí)的電容量時(shí)的電容量Z Z：為：為C C0，R R0的等效阻抗的等效阻抗31電容式傳感器的誤差分析電容式傳感器的誤差分析一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響tPCCCC0C0:傳感器的初始電容量傳感器的初始電容量C CP：在被測信號作用下電容量得增量：在被測信號作用下電容量得增量Ct：由于環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的附加電容增量，：由于環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的附加電容增量， Ct=f(t)32以電容測壓傳感器為例以電容測壓傳感器為例d0=L-h1-h2以上各量分別為初始溫度以上各量分別為初始溫度時(shí)的總間隙、絕緣材料的時(shí)的總間隙

12、、絕緣材料的厚度和固定極片的厚度厚度和固定極片的厚度當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t t后，間隙為：后，間隙為：)1 ()1 ()1 (2211ththtLdhhLt由于溫度變化而引起的電容相對誤差為由于溫度變化而引起的電容相對誤差為ttttttdddCCC000由以上三式可得由以上三式可得thhLdthhLhhLhhLt)()(22110221133為消除溫度誤差，必須使為消除溫度誤差，必須使t=0t=0，則可得，則可得02211hhLhhL設(shè)計(jì)傳感器時(shí)設(shè)計(jì)傳感器時(shí)L 尺寸的靈活性很大，故可用尺寸的靈活性很大，故可用代入上式得代入上式得021dhhL0)(0212211Lhhdhhhh整理得：整理得：

13、0 1 102211dhhLhLh3435電容式傳感器存在的問題電容式傳感器存在的問題：（1）屏蔽線本身電容量較大，若屏蔽線較長，往往大）屏蔽線本身電容量較大，若屏蔽線較長，往往大于傳感器得電容量，而且由于分布電容與傳感器電容并于傳感器得電容量，而且由于分布電容與傳感器電容并聯(lián)，使傳感器電容相對變化量降低；聯(lián)，使傳感器電容相對變化量降低；（2）電纜本身得電容量由于放置位置和形狀不同而有）電纜本身得電容量由于放置位置和形狀不同而有較大變化，這將造成傳感器特性不穩(wěn)定。較大變化，這將造成傳感器特性不穩(wěn)定。解決辦法：采用驅(qū)動電纜技術(shù)，其基本原理解決辦法：采用驅(qū)動電纜技術(shù)，其基本原理是使電纜屏蔽層電位跟

14、蹤與電纜相連接的傳是使電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜相連接的傳感器電容極板電位，要求二電位的幅值和相感器電容極板電位，要求二電位的幅值和相位均相同，從而消除電纜分布電容的影響位均相同，從而消除電纜分布電容的影響36CX兩端電壓兩端電壓I適用于適用于CX較大的傳感器較大的傳感器)1 ()(01AUAUUUUUCX放大器放大器-Aa輸出電壓為輸出電壓為UAAUAUaa.0102即即AAa11.適用于適用于CX較小的傳感器較小的傳感器驅(qū)動電纜線路原理圖驅(qū)動電纜線路原理圖I驅(qū)動電纜線路原理圖驅(qū)動電纜線路原理圖II37電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用1.電容傳聲器電容傳聲器38電容式傳聲器的電路原理電容式

15、傳聲器的電路原理傳聲器輸出電壓增量和被測聲壓成正比傳聲器輸出電壓增量和被測聲壓成正比3940一般使用的麥克風(fēng)基本上都是動圈式的一般使用的麥克風(fēng)基本上都是動圈式的41電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，發(fā)生變化，接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。也可以

16、是絕緣的液體或粉狀物體。工作流程方框圖工作流程方框圖4243振動測量振動測量 旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量4445電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器4647例例3.1 變極距型平板電容傳感器，當(dāng)變極距型平板電容傳感器，當(dāng)d0=1mm時(shí)，若要時(shí)，若要求測量的非線性誤差為求測量的非線性誤差為0.1%，求允許間距測量最大變，求允許間距測量最大變化量是多少？化量是多少？例例3.2 如圖所示，圓筒形金屬容器中心放置一個(gè)帶絕緣如圖所示，圓筒形金屬容器中心放置一個(gè)帶絕緣套管的圓柱形電極用來測介質(zhì)液位，絕緣材料相對介套管的圓柱形電極用來測介質(zhì)液位，絕緣材料相對介電常數(shù)為電常數(shù)為1 ，被測液體相對介電

17、常數(shù)為，被測液體相對介電常數(shù)為2，液面上方氣，液面上方氣體相對介電常數(shù)為體相對介電常數(shù)為3，電極各部位尺寸如圖所示，并忽，電極各部位尺寸如圖所示，并忽略底面電容，求，當(dāng)被測液體為導(dǎo)體及非導(dǎo)體時(shí)的兩略底面電容，求，當(dāng)被測液體為導(dǎo)體及非導(dǎo)體時(shí)的兩種情況下，分別推導(dǎo)出傳感器特性方程種情況下，分別推導(dǎo)出傳感器特性方程CH=f(H)同心圓筒電容公式同心圓筒電容公式)/ln(8 . 1rRLCr48例例3.3 現(xiàn)有一只電容式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖（現(xiàn)有一只電容式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，已）所示，已知：知：L=25mm,R=6mm,r=4.5mm。其中圓柱。其中圓柱C為內(nèi)電極，圓筒為內(nèi)電極，圓筒A、B為兩個(gè)外電極，為兩個(gè)外電極，D為屏蔽套筒，為屏蔽套筒，CBC構(gòu)成一個(gè)固定電容構(gòu)成一個(gè)固定電容CF，CAC是隨活動屏蔽套筒伸入位移量是隨活動屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容而變的可變電容CX，