第五章電容式

第五章電容式第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三電容傳感器的特點1．電容式傳感器的優(yōu)點

（1）溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，只要從強度、溫度系數等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（2）結構簡單，適應性強

電容式傳感器結構簡單，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。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現某些特殊要求的測量。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（3）動態(tài)響應好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約10-5N），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，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質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，如測量振動、瞬時壓力等。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（4）可以實現非接觸測量、具有平均效應當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

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，可以做得很靈敏，分辨力非常高。

第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2.電容式傳感器的缺點

(1)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，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106～108Ω。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩(wěn)定現象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ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），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。第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三(2)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(l～2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大?！凹纳娙荨苯档土藗鞲衅鞯撵`敏度，且是隨機變化的，使傳感器的工作不穩(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，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三(3)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，雖可采用差動結構來改善，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。

第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三電容式接近開關電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三5.1工作原理與結構形式（一）工作原理用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容C為S—極板相對覆蓋面積；d—極板間距離；εr—相對介電常數；ε0—真空介電常數，ε0＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質的介電常數。d、S和εr中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0、d或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。

Sdε第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（二）

電容式傳感器的類型

三種基本類型：

1）變極距(變間隙)(d)型第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2）變面積型(S)型

角位移變面積型第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三板狀線位移變面積型第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三同心圓筒形線位移電容式傳感器第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三3）變介電常數(εr)型(a)單組式平板形厚度傳感器(a)厚度傳感器dx（b）單組式平板形線位移傳感器ε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三(c)液位傳感器2r22r1hhx(c)圓筒式液位傳感器

第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三1、變極距型電容傳感器

圖中極板1固定不動，極板2為可動電極(動片)，當動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產生變化，其電容變化量ΔC為d2變極距型電容傳感器1

該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實際應用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動式結構或采用適當的測量電路來改善其非線性。CC0C-特性曲線C0—極距為時的初始電容量。第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三差動式變間隙型電容傳感器動極板上移：初始位置時，動極板定極板定極板C1

δ1C2

δ2第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三提高一倍減小略去高次項：電容量的相對變化為：非線性誤差為：靈敏度：第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2、變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器中，平板形結構對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應時為l—外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；r2、r1—圓筒內半徑和內圓柱外半徑。

當兩圓筒相對移動Δl時，電容變化量ΔC為這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數。

第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三3、變介電常數型電容傳感器

變介電常數型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位，還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關系為

dx厚度傳感器C1C2C3C第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三若忽略邊緣效應，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系為

C1C2C3CC4a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度；δ:兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測物的厚度和它的介電常數、空氣的介電常數。

l平板形lx第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三若忽略邊緣效應，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關系為

液位傳感器hC1CC2可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關系。

2r12r2hx第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（三）

電容式傳感器的信號調節(jié)電路1、運算放大器式電路

其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖將Cx=代入上式得-A～uoCCxu∑運算放大器式電路原理圖負號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。這里是假設放大器開環(huán)放大倍數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。第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三2.電橋電路電容傳感器構成的交流電橋UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU特點：①高頻交流正弦波供電；②電橋輸出調幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③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合應采用自動平衡電橋；④輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數的處理電路。第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三3、二極管雙T形電路電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波。若將二極管理想化，則當電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。其中二極管VD1導通、VD2截止，電容C1被以極其短的時間充電、其影響可不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE。根據一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流iC2如下：C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三電路特點：①線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點；④適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4、差動脈沖調寬電路又稱差動脈寬(脈沖寬度)調制電路利用對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。通過低通濾波器得到對應被測量變化的直流信號。右圖為差動脈沖調寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調寬電路G第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三5、調頻電路（見99頁）

6、諧振電路

（見100頁）

第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（四）

影響電容傳感器精度的因素及提高精度的措施1）溫度對結構尺寸的影響2）溫度對介質介電常數的影響3）漏電阻的影響4）邊緣效應與寄生參量的影響5）增加原始電容值，減小寄生電容和漏電的影響第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三（五

）電容式傳感器的應用駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三電容式接近開關振蕩電路被測物體感應電極被測電容測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發(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.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三濕度測量發(fā)生濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度改變時，濕敏電容的介電常數發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高