常用的傳感器電容式

1、1測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第二章第二章 常用的傳感器常用的傳感器華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院2采用采用電容器電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為換為電容量電容量的變化。的變化。被測(cè)信息被測(cè)信息敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源輔助電源信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路輸出信息輸出信息電容元件電容元件電容元件電容元件實(shí)際上是一個(gè)實(shí)際上是一個(gè)具有可變參數(shù)具有可變參數(shù)的電容器的電容器零漂小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。用于測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)及液位等。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院3用兩塊平行金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊

2、緣效應(yīng)時(shí)其電容C為：A 1 1 工作原理工作原理、A A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。變面積型變面積型電容式傳感器電容式傳感器變極距型變極距型變介電常數(shù)變介電常數(shù)0AC 在交流電路中，電容量的變化改變?nèi)菘?，從而使輸出電流或電壓發(fā)生變化。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院4 2 2 變極距型變極距型變極距型傳感器常常是一塊極板固定而使另一塊極板移動(dòng)，從而改變極距以引起電容的變化。+因此電容器傳感器的靈敏度為： 20ACS靈敏度與極距的平方值成反比，極距越小時(shí)靈敏度越高。但靈敏度隨極距的變化會(huì)引起非線(xiàn)性誤差.0AC 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)

3、院5n為減小非線(xiàn)性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作以便獲得近似的線(xiàn)性關(guān)系。一般取極距變化范圍為n減小可以提高靈敏度。但過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kVmm）。可在極間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能。20ACS1 . 0華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院6為提高靈敏度和減小非線(xiàn)性，以及克服某些外界條件（如為提高靈敏度和減小非線(xiàn)性，以及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常采用電源電壓、環(huán)境溫度等）變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常采用差動(dòng)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。式結(jié)構(gòu)。采用差動(dòng)式電容傳感器，靈敏采用差動(dòng)式電容傳感器，靈

4、敏度提高一倍，非線(xiàn)性誤差相應(yīng)度提高一倍，非線(xiàn)性誤差相應(yīng)減小。減小。變極距型差動(dòng)電容傳感器變極距型差動(dòng)電容傳感器n極距變化型電容傳感器的靈敏度高，可利用被測(cè)部件作為動(dòng)極板實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，常用于壓力以及小位移的測(cè)量。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院7設(shè)可動(dòng)極板上移設(shè)可動(dòng)極板上移 ，則，則 增大，增大， 減小。減小。1C)()(1 11302000001CCC)()(13020002CC所以差動(dòng)式電容傳感器的輸出為：所以差動(dòng)式電容傳感器的輸出為：002CC非線(xiàn)性誤差為：非線(xiàn)性誤差為：%100)()()(20030靈敏度為：靈敏度為：2000022ACCS可見(jiàn)，采用差動(dòng)式電容傳感器，不僅使靈

5、可見(jiàn)，采用差動(dòng)式電容傳感器，不僅使靈敏度提高一倍，也使非線(xiàn)性誤差大大減小。敏度提高一倍，也使非線(xiàn)性誤差大大減小。變變d型差動(dòng)電容傳感器型差動(dòng)電容傳感器2C)(22300021CCCC華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院8 3 3 變面積型變面積型A ) A ) 角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器22rA202rC 此時(shí)，傳感器的靈敏度此時(shí)，傳感器的靈敏度S S為：為：202dCrSd 常 數(shù)由兩半圓形極板構(gòu)成，其覆蓋面積對(duì)應(yīng)的由兩半圓形極板構(gòu)成，其覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為中心角為0AC 當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角 時(shí)，由于覆蓋面積變化，時(shí)，由于覆蓋面積變化，電容量改變。電容量改變?？梢?jiàn)該

6、傳感器測(cè)角位移使有良好的線(xiàn)性特性。可見(jiàn)該傳感器測(cè)角位移使有良好的線(xiàn)性特性。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院9B ) B ) 直線(xiàn)位移式電容傳感器直線(xiàn)位移式電容傳感器當(dāng)可動(dòng)極板移動(dòng)距離當(dāng)可動(dòng)極板移動(dòng)距離 時(shí)，覆蓋面積發(fā)生時(shí)，覆蓋面積發(fā)生變化，相應(yīng)電容量發(fā)生變化變化，相應(yīng)電容量發(fā)生變化此時(shí)，傳感器的靈敏度為：此時(shí)，傳感器的靈敏度為：0 xdCbxSdx 常 數(shù)0 xbxC x設(shè)原電容值為：設(shè)原電容值為：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院10C ) C ) 圓柱體線(xiàn)位移式電容傳感器圓柱體線(xiàn)位移式電容傳感器隨動(dòng)板圓柱的位移，定板圓柱與動(dòng)板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而隨動(dòng)板圓柱的位移，

7、定板圓柱與動(dòng)板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而電容量發(fā)生變化。電容量發(fā)生變化。02ln()xCD d 兩個(gè)兩個(gè)同軸圓筒電極同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：組成的電容器，其電容值為：x當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，02ln()CSxD d 常數(shù)通過(guò)通過(guò)A A）B B）C C）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即具有良好的線(xiàn)性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來(lái)檢測(cè)較大數(shù)，即具有良好的線(xiàn)性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來(lái)檢測(cè)較大直線(xiàn)位移及角位移等參數(shù)。直線(xiàn)位移及角位移等參數(shù)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院11

8、 4 4 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。量發(fā)生變化。這類(lèi)傳感器常用做檢測(cè)容器中這類(lèi)傳感器常用做檢測(cè)容器中片狀材料的厚度片狀材料的厚度、液面高度液面高度等，也可用來(lái)等，也可用來(lái)測(cè)量空氣的濕度、溫度等。測(cè)量空氣的濕度、溫度等。A ) A ) 電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀C0C1C0101C CCCC這種傳感器的電容量等于兩個(gè)電容這種傳感器的電容量等于兩個(gè)電容 和和 相串聯(lián)相串聯(lián)0C1C0AC 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院12001010100010101011AAC

9、 CACAACC 此時(shí)此時(shí) 為空氣相對(duì)介電常數(shù)，為空氣相對(duì)介電常數(shù)， 為待測(cè)體的介電常數(shù)，當(dāng)厚為待測(cè)體的介電常數(shù)，當(dāng)厚度度 已知時(shí)，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測(cè)量?jī)x。已知時(shí)，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測(cè)量?jī)x。11 如果待測(cè)體的介電常數(shù)如果待測(cè)體的介電常數(shù) 不變時(shí)，可作測(cè)厚儀使用。不變時(shí)，可作測(cè)厚儀使用。10101C CCCC10101110A華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院13B ) B ) 電容液面計(jì)電容液面計(jì)兩個(gè)兩個(gè)同軸圓筒電極同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：組成的電容器，其電容值為：這類(lèi)傳感器常常采用這類(lèi)傳感器常常采用同軸圓筒電極同軸圓筒電極組成的電容器作為測(cè)量裝置。組成的

10、電容器作為測(cè)量裝置。02ln()xCD d 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院14設(shè)容器中介質(zhì)是不導(dǎo)電液體（如果是導(dǎo)電液設(shè)容器中介質(zhì)是不導(dǎo)電液體（如果是導(dǎo)電液體，則電極需絕緣）體，則電極需絕緣）總的電容總的電容 相當(dāng)于上方氣體介質(zhì)間的電容量相當(dāng)于上方氣體介質(zhì)間的電容量 和液體介質(zhì)間電容量和液體介質(zhì)間電容量 之之和（相并聯(lián)）。和（相并聯(lián)）。022021122()ln(/)ln(/)hhhCDdDd 01122ln(/)hCDd 1C2CC021011120201212()2ln(/)ln(/)22()ln(/)ln(/)hhhCCCDdDdhhDdDd AK1KhAC可見(jiàn)，同軸圓筒電容傳感

11、器的電容量可見(jiàn)，同軸圓筒電容傳感器的電容量與液位成線(xiàn)性關(guān)系與液位成線(xiàn)性關(guān)系。C1CC221CCC02ln()xCD d 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院15電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，必須借助于測(cè)量電路檢測(cè)出這個(gè)微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻必須借助于測(cè)量電路檢測(cè)出這個(gè)微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。率信號(hào)。（一）（一） 交流電橋交流電橋Ui交流放大器相敏檢波器低通濾波器Z1Z2Z3Z4SCUE 4 4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路電容傳感器

12、阻抗電容傳感器阻抗對(duì)于電容傳感元件來(lái)說(shuō)，有如下關(guān)系：對(duì)于電容傳感元件來(lái)說(shuō)，有如下關(guān)系：111ZCdZCd華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院16（二）（二） 二極管環(huán)形檢波電路二極管環(huán)形檢波電路穩(wěn)幅放大器穩(wěn)幅放大器比例放大器比例放大器恒壓恒流源恒壓恒流源電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器FFBHLHLFSCRURUCCCCRRII0如果采用變面積型或變間隙型差動(dòng)式電容傳感器，均可得到線(xiàn)性輸出。如果采用變面積型或變間隙型差動(dòng)式電容傳感器，均可得到線(xiàn)性輸出。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院17（三）（三） 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路寬度受寬度受C1C1、C2C2調(diào)制的方波脈調(diào)制的方波脈

13、沖沖由于由于C1C1、C2C2大小不同，導(dǎo)致差動(dòng)電容的充電時(shí)間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)大小不同，導(dǎo)致差動(dòng)電容的充電時(shí)間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同。器輸出端的方波脈沖寬度不同。12121UCCCCUSC華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院18（四）（四） 運(yùn)算法測(cè)量電路運(yùn)算法測(cè)量電路當(dāng)運(yùn)放的輸入阻抗很高，增益很大當(dāng)運(yùn)放的輸入阻抗很高，增益很大時(shí)，認(rèn)為輸入電流時(shí)，認(rèn)為輸入電流 ， 則則0IXSCCCEU0dSCXdSCEUSC0從原理上解決了使用單個(gè)變間隙型從原理上解決了使用單個(gè)變間隙型電容傳感器輸出特性的非線(xiàn)性。電容傳感器輸出特性的非線(xiàn)性。該電路要求固定電容該電路要求固定電容 必

14、須穩(wěn)定，必須穩(wěn)定，信號(hào)源電壓信號(hào)源電壓 必須采取穩(wěn)壓措施必須采取穩(wěn)壓措施0CE華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院191 1溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好2 2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 5 5 電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)3 3動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4 4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量適宜低能量輸入的測(cè)量，例如測(cè)量極低的壓力、例如測(cè)量極低的壓力、力

15、和很小的加速度、位移等力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院20不足：1 1輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差2 2寄生電容影響大寄生電容影響大3 3、輸出特性非線(xiàn)性、輸出特性非線(xiàn)性 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院21華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院22（一）電容式差壓變送器（一）電容式差壓變送器特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 變送器感壓腔室內(nèi)充滿(mǎn)了溫度系數(shù)小、穩(wěn)變送器感壓腔室內(nèi)充滿(mǎn)了溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高的硅油作為密封液；定性高的硅油

16、作為密封液；2. 為了使變送器獲得良好線(xiàn)性度，感壓膜片為了使變送器獲得良好線(xiàn)性度，感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)；采用張緊式結(jié)構(gòu)；3. 變送器輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；變送器輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)；4. 可測(cè)可測(cè)00.75Pa的小壓強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一的小壓強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般為般為100ms。圖中圖中1、2為測(cè)量膜片，與被測(cè)介質(zhì)直接接觸。為測(cè)量膜片，與被測(cè)介質(zhì)直接接觸。3為感壓膜片，在圓周方向?yàn)楦袎耗て?，在圓周方向張緊，張緊，1、3為一室；為一室；2、3為另一室；構(gòu)成二室結(jié)構(gòu)。為另一室；構(gòu)成二室結(jié)構(gòu)。 6 6 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院2300CCCCCAAL0

17、0CCCCCAAHACC ,0如何求？如何求？華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院24對(duì)于一個(gè)球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可用單元積分法對(duì)于一個(gè)球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可用單元積分法求出求出ACC ,0)(ln8.100pFddRCbr2220ln4baaPPRCLHrA華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院25上述差動(dòng)式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（上述差動(dòng)式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（420）mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。將兩差動(dòng)電容值代入二極管環(huán)行檢波電路輸出電流表達(dá)式，得到：將兩差動(dòng)電容值代入二極管環(huán)行檢波電路輸出電流表達(dá)式，得到：FFBAFSCRURUCCRRII00化簡(jiǎn)得到，化簡(jiǎn)