電容式傳感器傳感器原理及應用ppt課件

1、武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第4章 電容式傳感器 Capacitive Sensors免費免費!武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器緒緒 論論電容式傳感器是以各種類型的電容電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量的器作為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點：特點：（1小功率、高阻抗。小功率、高阻抗。（2小的靜電引力和良好的動態(tài)小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。特性。（3本身發(fā)熱影響小。本身發(fā)熱影響小。（4可進行非接觸測量?？蛇M行非

2、接觸測量。運用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕運用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。度和成分含量等測量之中。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 工作原理及類型工作原理及類型電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。由物理學可知，當忽略電容器

3、邊由物理學可知，當忽略電容器邊緣效應時，對圖示平行極板電容緣效應時，對圖示平行極板電容器，電容量為器，電容量為0rSSCdd +Srd_武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器可見：在可見：在S S、d d、三個參量中，改變其中任意一個量，均可三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量使電容量C C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)( (如位移、壓力、如位移、壓力、液位等液位等) )的變化引起的變化引起S S、d d、三個參量中之一發(fā)生變化，就三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式

4、傳可利用相應的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：感器可分為以下三大類：(1) (1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器；(2) (2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器；(3) (3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1.24.1.2電容傳感器特性分析電容傳感器特性分析1.1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器00000rSSCdd 設(shè)初始電容為：設(shè)初始電容為：當間隙當間隙d0d0減小減小dd時時, ,則電容量增大則電容量增大CC，那么：，那

5、么：0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 電容的相對變化為：電容的相對變化為：00011CddCdd武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器23000001.CddddCdddd當當 時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：0/1d d可見，電容可見，電容C C的相對變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。的相對變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項得到其近似的線性關(guān)系：在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項得到其近似的線性關(guān)系：00CdCd00/1C CKdd電容傳感器的靜態(tài)靈敏度

6、為電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為靈敏度隨極板間靈敏度隨極板間距的減小而增大距的減小而增大武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器如果只考慮二次非線性項，忽略其它高次項，則得非線如果只考慮二次非線性項，忽略其它高次項，則得非線性誤差：性誤差： 2000(/)100%/100%/Ld dd dd d 由以上分析可知：變極距型電容式傳由以上分析可知：變極距型電容式傳感器只有在感器只有在d/d0d/d0很小時，才有近似很小時，才有近似的線性輸出。的線性輸出。 Cdd0d0ddC1C2C1 C2如圖，極距變化相同值如圖，極距變化相同值d d所對應的電容變化所對應

7、的電容變化量不同量不同非線性隨極板間距非線性隨極板間距的減小而增大的減小而增大武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器為了提高靈敏度和減小非線性，為了提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件如電源以及克服某些外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動式的電容傳感器，常采用差動式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。 工作時差動電容器總電容變化為：工作時差動電容器總電容變化為： 0012020000121SSdCCCCddddddd 當當 時，將上式按泰勒級數(shù)展開，得：時，將上式按泰勒級數(shù)展開，

8、得：0/1d d24000021CdddCddd 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器略去非線性高次項，得：略去非線性高次項，得：002CdCd 變極距差動電容式傳感器的靈敏度變極距差動電容式傳感器的靈敏度KK為為0002C CKdd 變極距差動電容傳感器的非線性誤差變極距差動電容傳感器的非線性誤差LL近似為近似為%100dd%100)d/d(2)d/d(220030L 可見，電容式傳感器做成差動式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低可見，電容式傳感器做成差動式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時，差了，而靈敏度

9、比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時，差動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2.2.變面積的電容式傳感器變面積的電容式傳感器武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1用于線位移測量的電容式傳感器用于線位移測量的電容式傳感器0 x

10、b axb xCCdd當動極板移動后當動極板移動后, ,極板相對有效面極板相對有效面積發(fā)生變化，對應的電容值為：積發(fā)生變化，對應的電容值為：00 xb xxCCCCda Cbkxd 靈敏度：靈敏度：靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式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，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很小，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)。成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)。其電容計算式為：其電

11、容計算式為： 2ln(/)xCD d 0222()2ln(/)ln(/)ln(/)ln(/)LxLxxCCCD dD dD dD d當重疊長度當重疊長度x x變化時，電容量變化為：變化時，電容量變化為：2(/ )CKxln D d靈敏度為：靈敏度為： 可見，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變可見，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（2 2用于角位移測量的電容式傳感器用于

12、角位移測量的電容式傳感器當動片有一角位移當動片有一角位移 時，兩極板間的覆蓋面積時，兩極板間的覆蓋面積就改變，從而改變了電容量。就改變，從而改變了電容量。 00CCCC 000()(1)SSCCd當轉(zhuǎn)動當轉(zhuǎn)動角時，角時， 00SCd當當 =0 =0時，時，0CCK 靈敏度：靈敏度：角位移式電容傳感器的輸出特角位移式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度性是線性的，靈敏度K K為常數(shù)。為常數(shù)。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器3.3.變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電路電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電

13、路 電容式液位傳感器電容式液位傳感器圖示同軸圓柱形電容器的初始圖示同軸圓柱形電容器的初始電容為電容為:00212()hCln r r1212()xhCln r r02212()()xh hCln r r測量時，電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。測量時，電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。設(shè)設(shè)C1C1為液體有效高度為液體有效高度hxhx形成的電容，形成的電容，C2C2為空氣高度為空氣高度h-hxh-hx形成的形成的電容，那么：電容，那么：由于由于C1C1和和C2C2為并聯(lián)，所以總電容為為并聯(lián)，所以總電容為: :武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4

14、4章章 電容式傳感器電容式傳感器00021212121000022()22 ()()()()()()xxxxxhh hhhCln r rln r rln r rln r rCChh 可見，電容可見，電容C C理論上與液面高度理論上與液面高度hxhx成線性關(guān)系，只要測出傳感器電成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容容C C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。另一種測量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電另一種測量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)電容器極容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)電容器極板面積為板面積為S S，間隙為，間隙為a a，當有一厚度，當有一厚度為為d d，相對介電常數(shù)為，相對介電常數(shù)為 r

15、 r的固體介的固體介質(zhì)通過極板間隙，相當于電容串聯(lián)，質(zhì)通過極板間隙，相當于電容串聯(lián)，因此電容器的電容值為：因此電容器的電容值為：0001rrSCadddadSS 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（1)1)若改變固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)若改變固體介質(zhì)的相對介電常數(shù) ， 則有電容量的相對變化為則有電容量的相對變化為: :rrr23232333111rrrrrrrrrrrrCNCNNNNN211/rNadd311/rNdad其中，其中， ，為靈敏度因子，隨間隙比，為靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)d/(a-d)增大增大為非線性因子，隨間隙比為非

16、線性因子，隨間隙比d/(a-d)d/(a-d)增大而減小。增大而減小。而增大；而增大；武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（2 2若傳感器保持若傳感器保持 r r不變，不變，改變介質(zhì)厚度，則可用于測量改變介質(zhì)厚度，則可用于測量介質(zhì)厚度變化，此時介質(zhì)厚度變化，此時442444111CdNdCdNddddNNNddd其中，其中，411/rrNadd，為靈敏度因子和非線性因子。，為靈敏度因子和非線性因子。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（3 3若被測介質(zhì)充滿兩極板間，則若被測介質(zhì)充滿兩極板間

17、，則d=ad=a，此時初始電容為，此時初始電容為00rSCd ，那么，那么， , ,即即rrrrCCCC0000rrrrSSCCCCdd 假設(shè)假設(shè)0rSCd 可見，可見，與與 r r 成線性關(guān)系。測量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此成線性關(guān)系。測量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況，如測原油含水率。情況，如測原油含水率。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.2 4.2 電容式傳感器的特點及設(shè)計要點電容式傳感器的特點及設(shè)計要點(1)(1)溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)

18、，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素( (因本身發(fā)熱因本身發(fā)熱極小極小) ) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。1.1.電容式傳感器的優(yōu)點電容式傳感器的優(yōu)點(2)(2)結(jié)構(gòu)簡單，適應性強結(jié)構(gòu)簡單，適應性強 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造

19、。能在高低溫、強輻射及強電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。4.2.1 4.2.1 電容傳感器的特點電容傳感器的特點武漢理工大學機電工程學院武漢理工大

20、學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （3 3靜電引力小靜電引力小 電容傳感器兩極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引電容傳感器兩極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。一般說來，這種靜電引力是很小的，因此只有對推極間距離有關(guān)。一般說來，這種靜電引力是很小的，因此只有對推動力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。動力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。 (4) (4)動態(tài)響應好動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板

21、間的靜電引力很小，（約幾個電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個10-5N10-5N），需要的），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)響應時間短，能在幾此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾MHzMHz的頻率下工作，特別適的頻率下工作，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。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振

22、動、瞬時壓力等。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (5) (5)可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應 當被測件不能允許采用接觸測量的情況下當被測件不能允許采用接觸測量的情況下, ,電容傳感器可以電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時完成測量任務。當采用非接觸測量時, ,電容式傳感器具有平均效電容式傳感器具有平均效應應, ,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響?？梢詼p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，還因帶電極板間的靜電引力電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極

23、小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受靈敏，分辨力非常高，能感受0.0010.001m m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (1)輸出阻抗高，負載能力差輸出阻抗高，負載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百一般為幾十到幾百pF

24、，使傳感器的輸出阻抗很高，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達高達106108。因此傳感器負載能力差，易受。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，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帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高幾十值極高幾十M以上），否則絕緣部分將作為以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能如靈敏度降低），旁路電阻而影響傳感器的

25、性能如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。 2.2.電容式傳感器的缺點電容式傳感器的缺點武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (3) (3)輸出特性非線性輸出特性非線性 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)變極距型電容傳感器的輸出特

26、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時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(chǎn)生的附電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(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。加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一

27、種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。面大有發(fā)展前途的傳感器。 (2) (2)寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l(l2m2m導線可達導線可達800pF)800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成的電容等的電容等“寄生電容卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這寄生電容卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容些電容( (如電纜電容如電纜電容) )常常是隨機變化的，將使

28、傳感器工作不穩(wěn)定，常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(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。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.2.2 4.2.2 電容傳感器設(shè)計要點電容傳感器設(shè)計要點電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過確設(shè)計、選材以

29、及精細的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應盡量使它具有程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應等。低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應等。 1. 1.消除和減小邊緣效應消除和減小邊緣效應邊緣效應造成邊緣電場產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差也增加。邊緣效應造成邊緣電場產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差也增加。為了消除邊緣效應的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采用帶有保護環(huán)的為了消除邊緣效應的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以采用帶有保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，如下圖。結(jié)構(gòu)，如下圖。（a a消除邊沿效應原理圖消除

30、邊沿效應原理圖 （b b帶保護環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)帶保護環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 2. 2.提高結(jié)構(gòu)設(shè)計中的絕緣性能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計中的絕緣性能 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差, ,以保證絕緣材料的以保證絕緣材料的絕緣性能絕緣性能, ,溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變, ,從而改變傳感器的電容量從而改變傳感器的電容量, ,產(chǎn)生溫產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常

31、數(shù)和絕緣電阻值。因此必度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、構(gòu)造、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣須從選材、構(gòu)造、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。材料具有高的絕緣性能。 電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應加以密封；用以防

32、塵、防傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應加以密封；用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬如銠等層，則可代潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬如銠等層，則可代替密封件起保護作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可替密封件起保護作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母

33、、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠高于塑料、有機玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。 盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)也不受濕度變化的影響作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當環(huán)境溫度、濕度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補償，但無法完全消除。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器在可能的情況下在可能的情況下, ,傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu), ,這樣可以通過這

34、樣可以通過某些類型的測量電路某些類型的測量電路( (如電橋如電橋) )來減小溫度等誤差。來減小溫度等誤差。 選用選用50kHz50kHz至幾至幾MHzMHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的零件應先進行清洗、烘干后再裝配。傳感器要傳感器內(nèi)所有的零件應先進行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，

35、影響傳感器靈敏寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ撼蜏p小它?？刹捎梅椒ǎ?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武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1增加傳感器原始電容值增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距采用減小極片或極筒間的間距( (平板式間距為平板式間距為0.20.5mm0.20.5mm，圓筒式間距為，圓筒式間距為0.15mm)0.15mm)，增加工作面積或工作，增加工作面積

36、或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10- 10-3103 pF3103 pF范圍內(nèi)，相對值變化在范圍內(nèi)，相對值變化在 10-61 10-61范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 （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)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5采用運算放大器法；采用運算放大器法；（6 6整體屏蔽法整

37、體屏蔽法武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （2 2注意傳感器的接地和屏蔽注意傳感器的接地和屏蔽 圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動?？蓜訕O筒與傳動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動?？蓜訕O筒與傳感器的屏蔽殼良導體同為地，因此當可動極筒移動感器的屏蔽殼良導體同為地，因此當可動極筒移動時，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，時，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。虛假信號。 引線電纜也必須屏引線電纜也

38、必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，為減小電纜電容的影響，應盡可能使用短而粗的應盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電纜線，縮短傳感器至電路前置級的距離。電路前置級的距離。 絕緣體絕緣體屏蔽殼屏蔽殼固定極筒固定極筒可動極筒可動極筒連桿連桿導桿導桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （4 4采用采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”(”(雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 當電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因當電容式傳感器的電容值很小，而因某些

39、原因( (如環(huán)境溫度如環(huán)境溫度較高較高) )，測量電路只能與傳感器分開時，可采用，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜技驅(qū)動電纜技術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線蔽層與信號傳輸線( (即電纜芯線即電纜芯線) )通過通過1:11:1放大器成為等電位，從放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”。采用這種。采用這種技術(shù)可

40、使電纜線長達技術(shù)可使電纜線長達10m10m之遠也不影響儀器的性能，如圖。之遠也不影響儀器的性能，如圖。 （3 3集成化集成化 將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。低溫或環(huán)境差的場合使用。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器外屏蔽層

41、接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是蔽層之間的電容是1:11:1放大器的負載。放大器的負載。1:11:1放大器是一個輸入阻抗放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為1(1(準確度要求達準確度要求達1/10000)1/10000)的同相的同相( (要求相移為零要求相移為零) )放大器。因此放大器。因此“驅(qū)動電纜技術(shù)對驅(qū)動電纜技術(shù)對1:11:1放大放大器要求很高，電路復雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于器要求很高，電路復雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF1p

42、F時，也能正常工作。時，也能正常工作。 1：1丈量丈量電路電路前置級前置級外屏蔽層外屏蔽層內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線芯線傳感器傳感器“驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖 當電容式傳感器當電容式傳感器的初始電容值很大的初始電容值很大( (幾百幾百F)F)時，只要時，只要選擇適當?shù)慕拥攸c選擇適當?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜軸屏蔽電纜，電纜可以長達可以長達10m10m，儀，儀器仍能正常工作。器仍能正常工作。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（5 5整體屏蔽法整體屏蔽法 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同將電

43、容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整防止外界的干擾。下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z3 Z3和和Z4Z4中中間，使電纜芯線與其屏蔽間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容層之間的寄生電容CP1CP1和和CP2CP2分別與分別與Z3Z3和和Z4Z4相并聯(lián)相并聯(lián)。如果。如果Z3Z3和和Z4Z4比比CP1CP1和和CP2CP2

44、的容抗小得多，則寄的容抗小得多，則寄生電容生電容CP1CP1和和CP2CP2對電橋?qū)﹄姌蚱胶鉅顟B(tài)的影響就很小平衡狀態(tài)的影響就很小。交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1C P2Z3Z4-A武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時Z3和和Z4是是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個電感線圈，流過具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個電感線圈，流過Z3和和Z4的電流大小基本相等但方向相反。因的電流大小基本相等但方向相反。因Z3和和Z4在結(jié)在結(jié)構(gòu)上完全對稱，所以線圈中的

45、合成磁通近于零，構(gòu)上完全對稱，所以線圈中的合成磁通近于零，Z3和和Z4僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄生電容生電容Cpl和和Cp2對對Z3和和Z4的分路作用即可被削弱到很的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影響交流電橋的平衡。低的程度而不致影響交流電橋的平衡。 還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點則選在差還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點則選在差動式電容傳感器兩電容動式電容傳感器兩電容C1和和C2之間。這樣進一步降低之間。這樣進一步降低了外界電磁場的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等了外界電磁場的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電

46、容等效作用在測量電路前置級，不影響電橋的平衡，因此在效作用在測量電路前置級，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長達電纜線長達10m以上時仍能測出以上時仍能測出 1pF的電容。的電容。 電容式傳感器的原始電容值較大幾百電容式傳感器的原始電容值較大幾百pF時，只要時，只要選擇適當?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜選擇適當?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜長達長達10m時，傳感器也能正常工作。時，傳感器也能正常工作。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4 4防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾當外界干擾當外界干擾( (如電磁場如電磁場)

47、 )在傳感器上和導線之間感應出電壓并與信在傳感器上和導線之間感應出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一器無法正常工作。此外，接地點不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。 u屏蔽和接地。傳感器殼體；導線；傳感器與測量電路前置級等屏蔽和接地。傳感器殼體；導線；傳感器與測量電路前置級等等。等。u增加原始電容量，降低容抗。增加原始電容量，降低容抗。u導線和導線之間要離得遠，線要盡可能短，最好成直角

48、排列，導線和導線之間要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。u盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導體或?qū)捰”M可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導體或?qū)捰≈凭€。制線。u采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。 防止和減小干擾的措施歸納為：防止和減小干擾的措施歸納為：武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4

49、.34.3電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖中，L為包括引線電纜的電感和電容式傳感器本身的電感；r包括引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；Rg是極間等效漏電阻，包含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和介質(zhì)損耗；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容。電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為11CeZj Lj Cj C式中，式

50、中，C=CP+C0C=CP+C0武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器21eCCLC則等效電容為則等效電容為211eeCCCCLC實際電容相對變化為實際電容相對變化為22/111eeeCCC CKKddLCLC因此實際的靈敏度為因此實際的靈敏度為可見電容傳感器的等效靈敏度可見電容傳感器的等效靈敏度KeKe與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感L L有關(guān)有關(guān)，且隨，且隨變化而變化。因此，在實際應用前必須要進行標定變化而變化。因此，在實際應用前必須要進行標定，否則將會引入測量誤差。，否則將會引入測量誤差。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學

51、院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.44.4電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路4.4.1 4.4.1 調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。01012()ifffL CCCC調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可測至調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可測至0.01m0.01m級位移變化級位移變化量，易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強。量，易于用數(shù)字儀器測量，并與

52、計算機通訊，抗干擾能力強。當電容發(fā)生變化時，頻率變?yōu)楫旊娙莅l(fā)生變化時，頻率變?yōu)?1012()ifL CCC當被測信號為零時當被測信號為零時, ,C=0C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0f0，即，即: :武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.4.2 4.4.2 交流電橋測量電路交流電橋測量電路變壓器電橋具有使用元件最少，橋路內(nèi)變壓器電橋具有使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小的特點。電橋輸出電壓為阻最小的特點。電橋輸出電壓為: 1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCCC00

53、2EdUd0U若傳感器為變極距式差動電容傳感器，則電橋輸出為：若傳感器為變極距式差動電容傳感器，則電橋輸出為：經(jīng)放大、相敏檢波和濾波后輸出直流電壓經(jīng)放大、相敏檢波和濾波后輸出直流電壓USCUSC大小與位移成大小與位移成線性關(guān)系，其正負極性反映位移的方向。線性關(guān)系，其正負極性反映位移的方向。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器00000 ,0 :11aixxxUIUjICUjICII 由0000;ixxiCUUCSCdCUUdS 解 得 :而代 入 上 式 得 :CxC0 Ixui aI0 b -Ku04.4.34.4.3運算放大器式測量電路運

54、算放大器式測量電路武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.4.44.4.4二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋當當UEUE為正半周時，二極管為正半周時，二極管VD1VD1導導通、通、VD2VD2截止，于是電容截止，于是電容C1C1充電充電; ;在隨后負半周出現(xiàn)時，電容在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1C1上上的電荷通過電阻的電荷通過電阻R1R1，負載電阻，負載電阻RLRL放電，放電， 流過流過RLRL的電流為的電流為I1I1。UEUE在負半周內(nèi)，在負半周內(nèi)，D2D2導通、導通、D1D1截止，截止，則電容則電容C2C2充電，在隨后出現(xiàn)正半充電，

55、在隨后出現(xiàn)正半周時，周時，C2C2通過電阻通過電阻R2R2，負載電阻，負載電阻RLRL放電，流過放電，流過RLRL的電流為的電流為I2I2。根。根據(jù)上面所給的條件，則電流據(jù)上面所給的條件，則電流I1 I1 =I2=I2，且方向相反，在一個周期，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過內(nèi)流過RLRL的平均電流為零。的平均電流為零。武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器若將二極管理想化，當電源為正半周時，電路可等效成若將二極管理想化，當電源為正半周時，電路可等效成一階電路一階電路 當供電電壓是幅值為當供電電壓是幅值為UEUE、周期為周期為T T、占空比為、占空

56、比為50%50%的方的方波，可直接得到流過電容波，可直接得到流過電容C2C2的的電流電流iC2iC2：221()exp()()LLCELLLLRR RtiUR RRR RR RRR R C正半周電流正半周電流iC2iC2的平均值的平均值IC2IC2可以寫成：可以寫成：22222002111TLCCCELRRIi dti dtU CTTT RR武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器1121LCELRRIU CT RR同理，可得負半周時流過電容同理，可得負半周時流過電容C1C1的平均電流的平均電流IC1IC1為為012122(2)()()()LLL

57、ECCLLRRRR RRUUIICCRRTRR故在負載故在負載RLRL上產(chǎn)生的電壓為：上產(chǎn)生的電壓為：2(2)()LLLRRRRRR012()EUKfUCC當當RLRL已知時，已知時，為常數(shù)，設(shè)為為常數(shù)，設(shè)為K K，那么：，那么：式中，式中，f f電源電壓的頻率。電源電壓的頻率。闡明，傳感器的輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，闡明，傳感器的輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與而且與T T形網(wǎng)絡(luò)中的電容形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1C1和和C2C2的差值有關(guān)。當電源參數(shù)確定后，的差值有關(guān)。當電源參數(shù)確定后，輸出電壓只是電容輸出電壓只是電容C1C1和和C2C2的函數(shù)。的函數(shù)。 武漢理工大學機電

58、工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.4.5 4.4.5 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路如圖如圖,C1,C1、C2C2為傳感器的差為傳感器的差動電容，當電源接通時，動電容，當電源接通時，設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A A端為高端為高電位，電位，B B端為低電位，因此端為低電位，因此A A點通過點通過R1R1對對ClCl充電，直至充電，直至F F點上的電位等于參考電壓點上的電位等于參考電壓UrUr時，比較器時，比較器A1A1產(chǎn)生一個產(chǎn)生一個脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)，A A點成低電位，點成低電位，B B點點成高電位。此時成高

59、電位。此時F F點電位經(jīng)點電位經(jīng)二極管二極管VD1VD1迅速放電至零，而同時迅速放電至零，而同時B B點的高電位經(jīng)點的高電位經(jīng)R2R2向向C2C2充電。當充電。當G G點的電位充至點的電位充至UrUr時，比較器時，比較器A2A2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，使使A A點成高電位，點成高電位，B B點成低電位，又重復上述過程。如此周而復始，點成低電位，又重復上述過程。如此周而復始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1C1、C2C2調(diào)制的脈沖方調(diào)制的脈沖方波。波。 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第

60、4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器C1C1C2 C2 時時 C1C2 C1C2 時時 武漢理工大學機電工程學院武漢理工大學機電工程學院第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器當電阻當電阻R1= R1=RR1= R1=R時，時， 則為：則為： 120112CCUUCCuAB經(jīng)過濾波后，即可得到一直流輸出電壓經(jīng)過濾波后，即可得到一直流輸出電壓U0 11211210121212()TUTUTT UUTTTTTT1112211211lnln;rrRCUR CUTTUUUU式中：式中：如果是變間隙式，那么：如果是變間隙式，那么： 由于：由于： d1= d0+d; d2= d0-d; d1+d2= d0