電容式傳感器概論

1、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 論論電容式傳感器電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點(diǎn)特點(diǎn)：（1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2 2）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。（3 3）本身發(fā)熱影響小。）本身發(fā)熱影響小。（4 4）可進(jìn)行非接觸測(cè)量。）可進(jìn)行非接觸測(cè)量。應(yīng)用應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和壓力、位移、厚度

2、、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。成分含量等測(cè)量之中。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(cè)量電路組成，其轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。電容器和測(cè)量電路組成，其轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖示平行極由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖示平行極板電容器，電容量為板電容器，電容

3、量為0rSSCdd +Srd_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、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量使電容量C改變。也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)改變。也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)(如位移、壓如位移、壓力、液位等力、液位等)的變化引起的變化引起S、d、三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。據(jù)此，電容就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：式傳感器可分為以下三大類：(1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器；(2) 面積變化型電容傳感器；面

4、積變化型電容傳感器；(3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。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(dāng)間隙當(dāng)間隙d0減小減小d時(shí)時(shí),則電容量增大則電容量增大C，則：，則：0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 電容的相對(duì)變化為：電容的相對(duì)變化為：00011CddCdd第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器23000001.CddddCdddd當(dāng)當(dāng) 時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：0

5、/1d d可見，電容可見，電容C C的相對(duì)變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。的相對(duì)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(guò)略去高次項(xiàng)得到其近似的線性關(guān)系：在誤差允許范圍內(nèi)通過(guò)略去高次項(xiàng)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第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則非線性誤差：只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則非線性誤差： 2000(/)100%/100%/Ld dd dd d 由以上分析可知：變極距型電容由以上分析

6、可知：變極距型電容式傳感器只有在式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才很小時(shí)，才有近似的線性輸出。如圖，極距有近似的線性輸出。如圖，極距變化相同值變化相同值d所對(duì)應(yīng)的電容所對(duì)應(yīng)的電容變化量不同變化量不同Cdd d0 0ddC1 1C2 2C1C2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第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器為提高靈敏度和減小非線性，克服為提高靈敏度和減小非線性，克服某些外界條件如電源電壓、環(huán)境變某些外界條件如電源電壓、環(huán)境變化的影響，常采用差動(dòng)式的電容傳化的影響，常采用差動(dòng)式的電容傳感器。感器。差動(dòng)電容器總電容變化為：差動(dòng)電容器總電容變化為：001202000012

7、1SSdCCCCddddddd 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：0/1d d24000021CdddCddd 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(xiàng)，得：略去非線性高次項(xiàng)，得：002CdCd 變極距差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度變極距差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度K為為0002C CKdd 變極距差動(dòng)電容傳感器的非線性誤差變極距差動(dòng)電容傳感器的非線性誤差 L近似為近似為%100dd%100)d/d(2)d/d(220030L 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)電容式傳感器，非線性誤差大大降低，而靈敏度比差動(dòng)式結(jié)構(gòu)電容式傳感器，非線性誤差大大降低，而靈敏度比單極距電容傳感器提高一

8、倍。與此同時(shí)，差動(dòng)式電容傳感器還單極距電容傳感器提高一倍。與此同時(shí)，差動(dòng)式電容傳感器還能減小靜電引力帶來(lái)的測(cè)量影響，并有效改善造成的誤差。能減小靜電引力帶來(lái)的測(cè)量影響，并有效改善造成的誤差。 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第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1）用于線位移測(cè)量的電容式傳感器）用于線位移測(cè)量的電容式傳感器0 xb axb xCCdd 動(dòng)極板移動(dòng)動(dòng)極板移動(dòng), ,極板相對(duì)有效面積發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電容值為：極板相對(duì)有效面積發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電容值為：00 xb xxCCCCda

9、Cbkxd 靈敏度：靈敏度：靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)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(duì)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(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響測(cè)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(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。其電容計(jì)算式為：其電容計(jì)算式為： 2ln(/)xCD d0222()2ln(/)ln(/)ln(/)ln(/)LxLxxCCCD dD dD dD d當(dāng)重疊長(zhǎng)度當(dāng)重疊長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量變化為：變化時(shí)，電容量變化為：2(/ )CKxln

10、D d靈敏度為：靈敏度為： 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(cè)量的電容式傳感器）用于角位移測(cè)量的電容式傳感器動(dòng)片有角位移動(dòng)片有角位移 時(shí)，兩極板間的覆蓋面積改變，電容量改變。時(shí)，兩極板間的覆蓋面積改變，電容量改變。 00CCCC 000()(1)SSCCd當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng) 角時(shí)，角時(shí)， 00SCd當(dāng)當(dāng) =0=0時(shí)時(shí)，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為常數(shù)為常數(shù)。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器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電容式液位傳感器同軸圓柱形電

11、容器的初始電容為同軸圓柱形電容器的初始電容為: :00212()hCln rr 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 1212()xhCln rr02212()()xhhCln rr測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。測(cè)液位的液體，一部分是空氣。設(shè)設(shè)C1為液體有效高度為液體有效高度hx形成的電容，形成的電容，C2為空氣高度（為空氣高度（h-hx）形成的電容，）形成的電容，則則:由于由于C1和和C2為并聯(lián)，所以總電容為為并聯(lián)，所以總電容為:等效電路 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器

12、00021212121000022()22()()()()()()xxxxxhhhhhCln rrln rrln rrln rrCChh 可見，電容可見，電容C理論上與液面高度理論上與液面高度hx成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容器電容C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器另一種測(cè)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)另一種測(cè)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)電容器極板面積為電容器極板面積為S，間隙為，間隙為a，當(dāng)有一厚度為，當(dāng)有一厚度為d，相對(duì)介電，相對(duì)介電常數(shù)為常數(shù)為 r的固體介質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)

13、于電容串聯(lián)，因此的固體介質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)，因此電容器的電容值為：電容器的電容值為：0001rrSCadddadSS 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（1)若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ，則，則有電容量的相對(duì)變化為有電容量的相對(duì)變化為:rrr23232333111rrrrrrrrrrrrCNCNNNNN第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器211/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)增大增大而增大；而增大；為非線性因子，隨間隙比為非線性因子，隨間隙比d/(a-d)增大而減小。增大而

14、減小。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（2）若保持）若保持 r不變，改變介質(zhì)不變，改變介質(zhì)厚度，則可測(cè)量介質(zhì)厚度變化，厚度，則可測(cè)量介質(zhì)厚度變化，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。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（3）若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則）若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則d=a，此時(shí)初始電容為，此時(shí)初始電容為00rSCd ，則，則， , ,即即rrrrCCCC0000rrrrSSCCCCdd 若若0rSCd 可見，可見，與與r 成線性關(guān)系。測(cè)量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情

15、成線性關(guān)系。測(cè)量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況，如測(cè)原油含水率。況，如測(cè)原油含水率。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(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)(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(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，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(qiáng)度、溫度系數(shù)尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感影響甚微

16、。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。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(diǎn)電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)4.2.1 4.2.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn)第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器(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)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等其可以承受很大的溫度

17、變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作，能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)情況下都能正常工作，能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。某些特殊要求的測(cè)量。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（3）靜電引力?。╈o電引力小電容傳感器兩極板間存在著靜電場(chǎng)，因此極板上作用著靜電電容傳感器兩極板間存在著靜電場(chǎng)，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)、極間距離有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，這種靜電引力是很小的，

18、電常數(shù)、極間距離有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，這種靜電引力是很小的，因此只有對(duì)推動(dòng)力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引因此只有對(duì)推動(dòng)力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。力造成的測(cè)量誤差。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾應(yīng)時(shí)間短，能在幾MHz的頻

19、率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。時(shí)壓力等。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器(5)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)當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平電容式傳感器具有平均效應(yīng)

20、均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。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，因此所需極小，因此所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的，所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量，例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，測(cè)量，例如測(cè)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，能感受可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小甚至更小的位移。的位移。 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(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能

21、力差電容式傳感器的容量受其電極尺寸等限制，一般為幾十到電容式傳感器的容量受其電極尺寸等限制，一般為幾十到幾百幾百pF，傳感器的輸出阻抗很高。當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交，傳感器的輸出阻抗很高。當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。故傳感器負(fù)載能力差，。故傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至無(wú)法工作，必須采易受外界干擾而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高取屏蔽措施。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十（幾十M以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響

22、傳感器的性能（如靈敏度降低），為此應(yīng)特別注意環(huán)境如溫感器的性能（如靈敏度降低），為此應(yīng)特別注意環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低濕度、清潔度等對(duì)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(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜，且寄生傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。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(diǎn)電容式傳感器的缺點(diǎn)第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器(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，而其引線傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l2m導(dǎo)線導(dǎo)線可達(dá)可達(dá)800pF

23、)、測(cè)量電路的、測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及以及傳感器極板與其周傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等等“寄生電容寄生電容”卻較大，卻較大，降低了傳感降低了傳感器的靈敏度；器的靈敏度；這些電容這些電容(如電纜電容如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求。對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器(3)輸出特性非線性輸出特

24、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(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)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(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊則邊緣效應(yīng)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，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，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(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克

25、服。電使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。 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(jì)要點(diǎn)電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)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(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采也增加。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用帶有保護(hù)

26、環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。（a）消除邊沿效應(yīng)原理圖 （b）帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2.提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能 減小減小環(huán)境溫度、濕度環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差等變化所產(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)生改變及某些介質(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)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)

27、的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。電容式傳感器的電容式傳感器的金屬電極的材料金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合以選用溫度系數(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藝，這樣電極可做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。的工藝，這樣電極可做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器傳感器內(nèi)傳感器內(nèi)電極表面電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以

28、密封；用以防塵、不便經(jīng)常清洗，應(yīng)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，則防潮。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(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高可代替密封件起保護(hù)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。溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。傳感器內(nèi)所有的傳感器內(nèi)所有的零件零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器應(yīng)先進(jìn)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。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形

29、。降。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器傳感器內(nèi)，傳感器內(nèi)，電極的支架電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定除要有一定的機(jī)械強(qiáng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)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、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、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加云母、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(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不

30、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。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)近似為零的電介電介質(zhì)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)。（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(dāng)環(huán)境溫度、濕若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差度變化時(shí)，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(bǔ)償，但無(wú)法完全消除。雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，

31、但無(wú)法完全消除。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)盡量采用傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),這樣可以這樣可以通過(guò)某些類型的測(cè)量電路通過(guò)某些類型的測(cè)量電路(如電橋如電橋)來(lái)減小溫度等誤差。來(lái)減小溫度等誤差。 選用選用50kHz至幾至幾MHz作為電容傳感器的作為電容傳感器的電源頻率電源頻率，以降低，以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器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(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小

32、它?？勺兓瘎t為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ翰捎梅椒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（1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化）集成化（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）采用運(yùn)算放大器法；）采用運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法）整體屏蔽法第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（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0.20.5mm，圓筒式

33、間距為圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿始電容值，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。一般電容值變化在電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在相對(duì)值變化在 10-61范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 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中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)?？蓜?dòng)極筒與可動(dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，傳感器的屏

34、蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，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)生的虛假信號(hào)。此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。引線電纜也必須屏蔽在引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電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(jí)的距離。路前置級(jí)的距離。 接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖絕緣體絕緣體屏蔽殼屏蔽殼固定極筒固定極筒可動(dòng)極筒可動(dòng)極筒連桿連桿導(dǎo)桿導(dǎo)桿第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（3）集成化）集

35、成化將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)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傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不固定不變變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（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)當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度如環(huán)境

36、溫度較高較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其其內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線即電纜芯線)通過(guò)通過(guò)1:1放大器成為放大器成為等電位，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輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也之

37、遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。不影響儀器的性能。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器外屏蔽層外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相的同相(要要求相移為零求相移為零)放大器。放大器?！膀?qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于小于1pF時(shí)，時(shí)，

38、也能正常工作。也能正常工作。 “驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理圖1：1測(cè)量測(cè)量電路電路前置級(jí)前置級(jí)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當(dāng)電容式傳感器的初始電容當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大值很大(幾百幾百F)時(shí)，選擇適時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。，儀器仍能正常工作。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（5）整體屏蔽法）整體屏蔽法將電容式傳感器和轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽，將電容式傳感器和轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響、防止外界

39、干擾。下圖正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響、防止外界干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層是差動(dòng)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(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z3和和Z4中間，使電纜芯線與其中間，使電纜芯線與其屏蔽屏蔽層之間的層之間的寄生電容寄生電容CP1和和CP2分別與分別與Z3和和Z4相并聯(lián)。如果相并聯(lián)。如果Z3和和Z4比比CP1和和CP2的容抗小得多的容抗小得多，則寄生電容，則寄生電容CP1和和CP2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。就很小。交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A第第4

40、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(shí)最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時(shí)Z3和和Z4是具有中是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)Z3和和Z4的電的電流大小基本相等但方向相反。因流大小基本相等但方向相反。因Z3和和Z4在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，所以線圈中的合成磁通近于零，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)果寄生電容阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄生電容Cpl和和Cp2對(duì)對(duì)Z3和和Z4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分路作用

41、即可被削弱到很低的程度而不致影響交流電橋的平衡。的平衡。還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容電容傳感器兩電容C1和和C2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)10m以上時(shí)仍能測(cè)出以上時(shí)仍能測(cè)出 1pF的電容。的電容。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾當(dāng)

42、外界干擾(如電磁場(chǎng)如電磁場(chǎng))在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀器無(wú)法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地大時(shí)，儀器無(wú)法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來(lái)誤差和故障。電壓差也是一種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來(lái)誤差和故障。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器u屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測(cè)量電路前置屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)等等。級(jí)等等。u增加原始電容量，降低容抗。增加原始電容

43、量，降低容抗。u導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。列，若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。u盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。寬印制線。u采用差動(dòng)式電容傳感器，采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈減小非線性誤差，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。敏度，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：第第4 4章章 電容式傳感

44、器電容式傳感器4.34.3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。圖電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖中，中，L為包括引線電纜的電感和電容式傳為包括引線電纜的電感和電容式傳感器本身的電感；感器本身的電感；r包括引線電阻、極板包括引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；電阻和金屬支架電阻；Rg是極間等效漏電是極間等效漏電阻，包含極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、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；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；為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的

45、總寄生接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容。電容。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器電容量一般很小，容抗很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電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為為11CeZj Lj Cj C式中，式中，C=CP+C0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(shí)際電容相對(duì)變化為實(shí)際電容相對(duì)變化為22/111eeeCCC CKKddLCLC因此實(shí)際的靈敏度為因此實(shí)際的靈敏度為可見電容傳感器的等效靈敏度可

46、見電容傳感器的等效靈敏度Ke與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感L有關(guān)有關(guān)，且隨，且隨變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。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(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路4.4.1 4.4.1 調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。就發(fā)生變化。第第4 4

47、章章 電容式傳感器電容式傳感器01012()ifffL CCCC調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m級(jí)位移變化級(jí)位移變化量，易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。量，易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，頻率變?yōu)楫?dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，頻率變?yōu)?1012()ifL CCC當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí),C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，即，即: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(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路變壓器電橋具有使用元件變壓器電橋具有使用元件

48、最少，橋路內(nèi)阻最小的特最少，橋路內(nèi)阻最小的特點(diǎn)。電橋輸出電壓為點(diǎn)。電橋輸出電壓為: 1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCCC第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器002EdUd0U若傳感器為變極距式差動(dòng)電容傳感器，則電橋輸出為：若傳感器為變極距式差動(dòng)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USC大小與位大小與位移成線性關(guān)系，其正負(fù)極性反映位移的方向。移成線性關(guān)系，其正負(fù)極性反映位移的方向。1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCC

49、C第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器00000 ,0 :11aixxxUIUjICUjICII 由CxC0 Ixui aI0 b -Ku04.4.34.4.3運(yùn)算放大器式測(cè)量電路運(yùn)算放大器式測(cè)量電路第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器0000;ixxiCUUCSCdCUUdS 解 得 :而代 入 上 式 得 :CxC0 Ixui aI0 b -Ku0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(dāng)當(dāng)UE為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2截止，于是截止，于是C1充電充電;在隨后負(fù)半在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，周出

50、現(xiàn)時(shí)，C1上的電荷通過(guò)電阻上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL放電，放電， 流過(guò)流過(guò)RL的電流的電流為為I1。UE在負(fù)半周內(nèi)，在負(fù)半周內(nèi)，D2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D1截止，則截止，則C2充電，在隨后出現(xiàn)正半充電，在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，周時(shí)，C2通過(guò)電阻通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)放電，流過(guò)RL的電流為的電流為I2。根據(jù)。根據(jù)所給的條件，則電流所給的條件，則電流I1 =I2，且方向，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均的平均電流為零。電流為零。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(dāng)電源為正半周時(shí)，電路可等效成若將二極管理想化，當(dāng)電源為正

51、半周時(shí)，電路可等效成一階電路一階電路 當(dāng)供電電壓是幅值為當(dāng)供電電壓是幅值為UE、周期為周期為T、占空比為、占空比為50%的方的方波，可直接得到流過(guò)電容波，可直接得到流過(guò)電容C2的的電流電流iC2：221()exp()()LLCELLLLRRRtiURR RRRRR RRRC第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器221()exp()()LLCELLLLRRRtiURRRRRRRRRR C正半周電流正半周電流iC2的平均值的平均值IC2可以寫成：可以寫成：22222002111TLCCCELRRIidtidtU CTTT RR第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器1121LCELRRIU CT

52、 RR同理，可得負(fù)半周時(shí)流過(guò)電容同理，可得負(fù)半周時(shí)流過(guò)電容C1的平均電流的平均電流IC1為為012122(2)()()()LLLECCLLRRRRRRUUIICCRRTRR故在負(fù)載故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：上產(chǎn)生的電壓為：第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2(2)()LLLRRRRRR012()EUKfUCC當(dāng)當(dāng)RL已知時(shí)，已知時(shí)， 為常數(shù)，設(shè)為為常數(shù)，設(shè)為K，則：，則：式中，式中，f電源電壓的頻率。電源電壓的頻率。表明，傳感器的輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，表明，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形網(wǎng)絡(luò)中的電容形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和和C2的差值有關(guān)

53、。當(dāng)電源參數(shù)確的差值有關(guān)。當(dāng)電源參數(shù)確定后，輸出電壓只是電容定后，輸出電壓只是電容C1和和C2的函數(shù)。的函數(shù)。 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(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路如圖如圖,C1、C2為傳感器的差動(dòng)為傳感器的差動(dòng)電容，當(dāng)電源接通時(shí)，設(shè)雙電容，當(dāng)電源接通時(shí)，設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A端為高電位，端為高電位，B端為低電位，因此端為低電位，因此A點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)通過(guò)R1對(duì)對(duì)Cl充電，直至充電，直至F點(diǎn)上的點(diǎn)上的電位等于參考電壓電位等于參考電壓Ur時(shí)，比時(shí)，比較器較器A1產(chǎn)生一個(gè)脈沖，觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)成點(diǎn)成低電位，低

54、電位，B點(diǎn)成高電位。此點(diǎn)成高電位。此時(shí)時(shí)F點(diǎn)電位經(jīng)點(diǎn)電位經(jīng)二極管二極管VD1迅速放電至零，而同時(shí)迅速放電至零，而同時(shí)B點(diǎn)的高電位經(jīng)點(diǎn)的高電位經(jīng)R2向向C2充電。當(dāng)充電。當(dāng)G點(diǎn)的電位充至點(diǎn)的電位充至Ur時(shí)，比較器時(shí)，比較器A2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點(diǎn)成高電位，點(diǎn)成高電位，B點(diǎn)成低電位，又重復(fù)上述過(guò)程。如此周而復(fù)始，點(diǎn)成低電位，又重復(fù)上述過(guò)程。如此周而復(fù)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C1、C2調(diào)制的脈沖方調(diào)制的脈沖方波。波。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器C1C2 時(shí)時(shí) C1C2 時(shí)時(shí)

55、第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器當(dāng)電阻當(dāng)電阻R1= R1=R時(shí)，時(shí)， 則為：則為： 120112CCUUCCuAB經(jīng)過(guò)濾波后，即可得到一直流輸出電壓經(jīng)過(guò)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，則：如果是變間隙式，則： 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?d1= d0+d; d2= d0-d; d1+d2= d0；則：；則：120112ddUUdd010dUUd第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.54.5電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用1.電容式接近開關(guān)

56、電容式接近開關(guān) 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器齊平式齊平式 非齊平式非齊平式電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(guān)外形非齊平式非齊平式接近開關(guān)的安裝接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。高于安裝支架，易損壞。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器圖示為電容開關(guān)在工程中的一個(gè)應(yīng)用。要求對(duì)某個(gè)工件進(jìn)行加圖示為電容開關(guān)在工

57、程中的一個(gè)應(yīng)用。要求對(duì)某個(gè)工件進(jìn)行加工，工件用夾具固定在移動(dòng)工作臺(tái)上，工作臺(tái)由一個(gè)主電機(jī)拖工，工件用夾具固定在移動(dòng)工作臺(tái)上，工作臺(tái)由一個(gè)主電機(jī)拖動(dòng)，作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)用兩個(gè)電容開關(guān)來(lái)動(dòng)，作來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)用兩個(gè)電容開關(guān)來(lái)決定工作臺(tái)何時(shí)換向。當(dāng)決定工作臺(tái)何時(shí)換向。當(dāng)“A”A”號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電機(jī)停止反轉(zhuǎn)，同時(shí)，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)；機(jī)停止反轉(zhuǎn)，同時(shí)，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)當(dāng)“B” B” 號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電機(jī)停止正轉(zhuǎn)，同時(shí)，號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電機(jī)停止正轉(zhuǎn)，同時(shí)，接通其反轉(zhuǎn)電路，

58、從而使工作臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了工接通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的行程限位。作臺(tái)的行程限位。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2.2. 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m m處。當(dāng)油箱處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量C Cx x減小，電橋失去平衡，減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(shí)帶動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RPRP的的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RPRP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀

59、態(tài)，阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x x 處）。處）。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 棒狀電極（金屬管）棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。間的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器高壓側(cè)進(jìn)高壓側(cè)進(jìn)氣口氣口低壓側(cè)進(jìn)低壓側(cè)進(jìn)氣口氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置第第4 4章章 電容式傳感器

60、電容式傳感器 1 1高壓側(cè)進(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口 2 2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口 3 3過(guò)濾片過(guò)濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波紋隔柔性不銹鋼波紋隔離膜片離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.4.電容式轉(zhuǎn)速傳感器電容式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)齒數(shù)為設(shè)齒數(shù)為Z Z，由計(jì)數(shù)器得到的頻率，由計(jì)數(shù)器得到的頻率為為f f，則轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速n n（r r/ /minmin）為）為: :60/nfZ5.5.電容式位移傳感器電容式位移傳