第4章電容式傳感器 ppt課件

1、電容式傳感器電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。和成分含量等測(cè)量之中。電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。一、一、 工作原理與類型工作原理與類型（一工作原理（一工作原理 用兩塊金屬平

2、板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C C為為 S S極板相對(duì)覆蓋面積；極板相對(duì)覆蓋面積；極板間距離；極板間距離；rr相對(duì)介電常數(shù)；相對(duì)介電常數(shù)；0 0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 0 8.85pF/m8.85pF/m； 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)。SSSCr0（二）（二） 類型類型三種基本類型：三種基本類型：變極距變極距( (變間隙變間隙)()()型型變面積型變面積型(S)(S)型型變介電常數(shù)變介電常數(shù)(r)(r)型型電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。位移：線位移和角

3、位移兩種。位移：線位移和角位移兩種。極板形狀：平板或圓板形和圓柱極板形狀：平板或圓板形和圓柱( (圓筒圓筒) )形形1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為21差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。CC0C- 特性曲線C0極距為時(shí)的初始電容量。 0CSSSC2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 ll外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r1 r1 、r2 r2 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)

4、兩圓筒相對(duì)移動(dòng)當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)ll時(shí)，電容變化量時(shí)，電容變化量CC為為)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2這類傳感器具有良好的線性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。 3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(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)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、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下若忽略

5、邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與厚度的關(guān)系為圖，傳感器的電容量與厚度的關(guān)系為 x厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxabC推導(dǎo)上式？n若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ；:兩固定極板間的距離；x、0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板形lxn圓筒式液位傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見(jiàn)，傳感器電容量C與被測(cè)液

6、位高度hx成線性關(guān)系。 2 r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK例:某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存罐也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的r 2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax二

7、、二、 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路（一）（一） 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路L L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感：包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感：r r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0C0為傳感器本身的電容；為傳感器本身的電容；CpCp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；成的總寄生電容；RgRg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其

8、值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。C0CpRgLrCeReLreCe供電電源頻率為諧振頻率的1/31/2 將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。（二測(cè)量電路（二測(cè)量電路1 1、電橋電路、電橋電路特點(diǎn)：高頻交流正弦波供電；特點(diǎn)：高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電

9、源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；幅、穩(wěn)頻等措施； 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；自動(dòng)平衡電橋； 輸出阻抗很高輸出阻抗很高( (幾幾MM至幾十至幾十M)M)，輸出電壓低，必須后，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。 2 2、二極管雙、二極管雙T T形電路形電路 電路原理如圖電路原理如圖(a)(a)。

10、供電電壓是幅值為。供電電壓是幅值為UEUE、周、周期為期為T(mén) T、占空比為、占空比為5050的方波。若將二極管理想的方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖階電路，如圖(b)(b)。其中二極管。其中二極管VD1VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2VD2截截止，電容止，電容C1C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容予考慮，電容C2C2的電壓初始值為的電壓初始值為UEUE。根據(jù)一階。根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容C2C2的的電流電流iC2i

11、C2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2i C1i C2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+i C1i C2iC1iC2同理，負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流: 在R（RRL）/（RRL）C2T/2時(shí),電流iC2的平均值IC2可以寫(xiě)成下式： 22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL電路特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的

12、影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。 3 3、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱差動(dòng)脈寬又稱差動(dòng)脈寬( (脈沖寬度脈沖寬度) )調(diào)制電路調(diào)制電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。 右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)

13、為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器V D1V D2A1A2ABR1C1C2u ABFQQUr差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路GtuAuAuBuBu ABu ABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U04 4、 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖器的非線性。其原理如圖將將Cx = Cx = 代入上式得代入上式得 -AuoC

14、Cxu運(yùn)算放大器式 電路原理圖負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0三、三、 主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)（一）（一） 主要性能主要性能1 1、 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比。對(duì)于變極距型其靜起其變化的被測(cè)量變化之比。對(duì)于變極距型其靜

15、態(tài)靈敏度態(tài)靈敏度kgkg為為 可見(jiàn)其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還可見(jiàn)其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測(cè)量而變化。減小隨被測(cè)量而變化。減小可以提高靈敏度。但可以提高靈敏度。但過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿空氣的擊穿電壓為過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿空氣的擊穿電壓為3kV3kVmmmm）?？稍跇O間加一層云母片其擊穿電壓大）?？稍跇O間加一層云母片其擊穿電壓大于于 103kV/mm 103kV/mm或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能?；蛩芰夏?lái)改善電容器耐壓性能。 /110CCKg 43201CKg r2與r1越接近，靈敏度越高。內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無(wú)關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。

16、另外，變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高靜態(tài)靈敏度，一般提高一倍。例如，對(duì)變面積型差動(dòng)式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為 120/ln2rrlClCkg對(duì)于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為121212/ln4/ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg 顯然，輸出電容顯然，輸出電容CC與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。 只有當(dāng)只有當(dāng)(/1(/1時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為C CC0(/)C0(/)。由于。由于 取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變

17、極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)1cm1cm至零點(diǎn)幾至零點(diǎn)幾mmmm），），而且而且最大應(yīng)小于極板間距最大應(yīng)小于極板間距 的的1/51/51/101/10。/1100CCC 2 2、非線性、非線性 對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化：時(shí)，其電容量的變化：3201CC可見(jiàn)，差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(C) ，那么被測(cè)量就與XC成線性關(guān)系，不需要滿足 這一要求了。在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，變面積型和變介電常數(shù)型測(cè)厚除外電容式傳感器具有很好的

18、線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致非線性問(wèn)題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。 采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量C42012CC優(yōu)點(diǎn)：1溫度穩(wěn)定性好 2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)3動(dòng)態(tài)響應(yīng)好4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)缺乏：1輸出阻抗高，負(fù)載能力差2寄生電容影響大3、輸出特性非線性（二）（二） 特點(diǎn)特點(diǎn)1 1保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能2 2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng)3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響（1 1增加傳感器原始電容值增加傳感器原始電容值（2 2注意傳感器的接地和屏蔽注意傳感器的接地和屏蔽（3 3集成化集成化（4 4采用采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”(”(雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5采用運(yùn)算放大器法采用運(yùn)算放大器法（6 6整體屏蔽法整體屏蔽法（三）（三） 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)四、應(yīng)用四、應(yīng)用n壓力測(cè)量：差壓傳感