1、第三章第三章 電容傳感器電容傳感器特點：特點：v測量范圍大，靈敏度高；測量范圍大，靈敏度高；v動態(tài)響應(yīng)時間短；動態(tài)響應(yīng)時間短；v結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。問題：問題：v存在寄生電容；存在寄生電容；v變間距（隙）型傳感器有非線性輸出特性。變間距（隙）型傳感器有非線性輸出特性。第三章第三章 電容傳感器電容傳感器v本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容工作原理、主要靜態(tài)性能和分類工作原理、主要靜態(tài)性能和分類等效電路、主要動態(tài)性能和測量電路等效電路、主要動態(tài)性能和測量電路補償技術(shù)：等位環(huán)技術(shù)和驅(qū)動電纜技術(shù)補償技術(shù)：等位環(huán)技術(shù)和驅(qū)動電纜技術(shù)第三章第三章 電容傳感器電容傳感器一、工作原理一、工作原理 平行

2、板電容器：平行板電容器： 圓筒型電容器：圓筒型電容器： 電容單位：電容單位：PFPF 按工作原理，電容傳感器可分為按工作原理，電容傳感器可分為傳感器。傳感器。dsCr/00120ln/2rrLC)/(6 . 310cmPF1 1、變面積（、變面積（S S）型電容傳感器）型電容傳感器v輸出信號：非差動式輸出信號：非差動式- - 差動式差動式- - （與電路配合）（與電路配合）v理論線性度為理論線性度為0 0；v理論靈敏度：非差動式理論靈敏度：非差動式- - 差動式差動式- - （與電路配合）（與電路配合）obbcc0ollcc20obck0olck022 2、變間距（、變間距（d d）型電容傳感

3、器）型電容傳感器v輸出信號：非差動式輸出信號：非差動式- - 差動式差動式- - （與電路配合）（與電路配合）v理論線性度：理論線性度：v理論靈敏度：非差動式理論靈敏度：非差動式- - 差動式差動式- - （與電路配合）（與電路配合）oddcc0oddcc20odck0odck02%1000ddL3 3、變電介質(zhì)型電容傳感器、變電介質(zhì)型電容傳感器v電容液位儀：電容液位儀： 工作原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式：工作原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式： 靈敏度：靈敏度： 線性度：線性度： 實現(xiàn)條件：液體與極板間絕緣。實現(xiàn)條件：液體與極板間絕緣。v電容測厚儀：工作原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式電容測厚儀：工作原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式- -)/ln()(

4、20rRK液0lKhAc)/ln(200rRhA)(00 xddsc電容傳感器工作原理總結(jié)電容傳感器工作原理總結(jié) 輸出信號輸出信號靈敏度靈敏度線性度線性度變變s型型0（）0變變d型型 （）變變 型型0obbcc0obck0ollcc20olck02%100)(0ddl00/ddcc00/dcK 00/2/ddcc00/2dcK %100)(20ddlKhAc)/ln()(221rRK二、電容傳感器的測量電路二、電容傳感器的測量電路1 1、等效電路、等效電路v高溫高濕情況下，要考慮電極間的等效漏電阻高溫高濕情況下，要考慮電極間的等效漏電阻v供電頻率較高時，要考慮傳感器和其傳輸線的電感供電頻率較高

5、時，要考慮傳感器和其傳輸線的電感 L L，以及傳輸線的電阻，以及傳輸線的電阻 。v一般情況下有：一般情況下有： 等效電容等效電容 為：為： pRsRcjLjZc1cjLjcje11ec等效電路等效電路 有：有： 一般條件下電容的實際變化量：一般條件下電容的實際變化量：說明：此時輸出信號與供電頻率和傳輸線電感有說明：此時輸出信號與供電頻率和傳輸線電感有 關(guān)，所以要求一般情況下關(guān)，所以要求一般情況下 （頻率范圍和傳輸線不變）。（頻率范圍和傳輸線不變）。Lcf2/10202)(11ffcLccceLcccccee21/22)1 (Lckke2 2、測量電路、測量電路v交流電橋交流電橋 z z1 1為

6、電容傳感器阻抗，電橋另三臂為固定阻抗；為電容傳感器阻抗，電橋另三臂為固定阻抗；理想情況下有：理想情況下有： 初始平衡條件：初始平衡條件： （2 2個條件）個條件） i=1i=1，2 2，3 3，4 4。EZZZZZZZZUsc.)(432132413241ZZZZijiieZZ.（1 1）交流電橋）交流電橋 當(dāng)被測量引起傳感器阻抗變化時，橋路失去平當(dāng)被測量引起傳感器阻抗變化時，橋路失去平衡，在衡，在 條件下，有輸出電壓：條件下，有輸出電壓： 設(shè)設(shè) ， ， 有：有：1/1iZZEZZZZZZEZZZZZZZZUsc221211143212111)1 ()(.)/1)(/1 ().(11/ZZ21

7、/ ZZA 2)1/(AAKEKUsc（1 1）交流電橋）交流電橋 設(shè)設(shè) ， ，有：，有：其模和幅角為：其模和幅角為：公式使用條件公式使用條件：z z1 1為電容傳感器為電容傳感器jjaeaaeK21221/ZZa21cos212aaaKcos)1 (2sin)1 (tan221aaa結(jié)果討論結(jié)果討論 一般取一般取a=1a=1，有：，有： 時，有時，有 ； 時，有時，有 。思考：如果思考：如果z z1 1、z z2 2均為電容傳感器，結(jié)果如何？均為電容傳感器，結(jié)果如何？ cos1 21mK0025. 0mk0905 . 0mk常用交流電橋的形式常用交流電橋的形式（2）差動脈沖寬度調(diào)制電路）差動

8、脈沖寬度調(diào)制電路A1、A2為比較器；為比較器；C1、C2構(gòu)成差動式電容傳感器。構(gòu)成差動式電容傳感器。差動脈沖寬度差動脈沖寬度調(diào)制電路調(diào)制電路 當(dāng)當(dāng)C1=C2時，線時，線路上各點電壓波形路上各點電壓波形如右圖所示。如右圖所示。 此時，此時，A、B兩點兩點間的平均電壓為間的平均電壓為0。差動脈沖寬度差動脈沖寬度調(diào)制電路調(diào)制電路 當(dāng)當(dāng)C1大于大于C2時，時，線路上各點電壓波形線路上各點電壓波形如圖所示。如圖所示。 差動脈沖寬度調(diào)制電路差動脈沖寬度調(diào)制電路 此時，此時，A、B兩點間經(jīng)低通濾波后的輸出直流電兩點間經(jīng)低通濾波后的輸出直流電壓壓 為：為： 、 為為A、B兩點間電壓的平均值，有：兩點間電壓的平

9、均值，有： 則有：則有：APUBPUscUBPAPABscUUUU1211UTTTUAP1211UTTTUBP12121UTTTTUsc差動脈沖寬度調(diào)制電路差動脈沖寬度調(diào)制電路 充電時間：充電時間： 若電路中有若電路中有 ，則得：，則得： 差動電容的變化使差動電容的變化使充電時間不同充電時間不同，從而使觸，從而使觸發(fā)器輸出端的方波發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同脈沖寬度不同。 一般矩形波的頻率為：一般矩形波的頻率為：100kHZ100kHZ1MHZ1MHZ。 )2 , 1(ln11iUUUCRTFiiiRRR2112121UCCCCUsc（3）運放電路）運放電路 理想情況下，有：理想情況下，有：0

10、ZEZUxscESdCECCUxsc000可解決非差動式變間隙型電容傳感器的可解決非差動式變間隙型電容傳感器的 。運放電路應(yīng)用特例運放電路應(yīng)用特例可實現(xiàn)調(diào)零的運放可實現(xiàn)調(diào)零的運放驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖（驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖（a）1：1放大器：放大倍數(shù)為放大器：放大倍數(shù)為 的高輸入阻抗的高輸入阻抗同相同相放大器；放大器；外屏蔽線接地外屏蔽線接地以消除外電場干擾。以消除外電場干擾。使用要求：使用要求： 。xC驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖（驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖（b）v使用要求：使用要求： （優(yōu)勢是無附加電容）。（優(yōu)勢是無附加電容）。v等電位條件：等電位條件：xCAAa11 幾點說明：幾點說明：v變間距型電容傳感器中，

11、極板間距離不超過變間距型電容傳感器中，極板間距離不超過1mm，多用來測量微米（多用來測量微米（m）級的位移，最大位移量）級的位移，最大位移量應(yīng)限制在間距的應(yīng)限制在間距的1/10范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 v變面積型傳感器中，只能測量厘米（變面積型傳感器中，只能測量厘米（cm）數(shù)量級）數(shù)量級的位移。的位移。v一般電容的變化在一般電容的變化在10-3到到103pF范圍內(nèi)，相對值范圍內(nèi)，相對值 C/C的變化則在的變化則在10-61范圍內(nèi)。輸出阻抗在范圍內(nèi)。輸出阻抗在108106 之間，電源頻率之間，電源頻率50Hz以上以上 。 提高靈敏度的常用措施提高靈敏度的常用措施 1、增加初始電容值（減小極板間距離：平板

12、式、增加初始電容值（減小極板間距離：平板式取取0.2mm0.5mm，圓筒式取，圓筒式取0.15mm;增加工作增加工作面積或工作長度）；面積或工作長度）；2、提高電源頻率。、提高電源頻率。四、電容傳感器的應(yīng)用四、電容傳感器的應(yīng)用電容測微儀電容測微儀采用非接觸式測量微位移和振動振幅。采用非接觸式測量微位移和振動振幅。最大量程為最大量程為100微米微米時，最小檢測量為時，最小檢測量為0.01微米。微米。微型電容式壓力傳感器微型電容式壓力傳感器 英國皇家航空研究英國皇家航空研究院院Farnborough研制研制的用于風(fēng)洞模型中的的用于風(fēng)洞模型中的微型電容式壓力傳感微型電容式壓力傳感器，整個尺寸為器，整

13、個尺寸為369mm。 標(biāo)稱的電壓范圍：標(biāo)稱的電壓范圍： 30kg/m2 微型電容式壓力傳感器主要性能微型電容式壓力傳感器主要性能v在載頻為在載頻為20kHz及電源電壓為及電源電壓為10V時，滿刻度輸出時，滿刻度輸出是是4.5V。 v氣隙為氣隙為0.05以及初始電容為以及初始電容為1.2F時，電容滿度變時，電容滿度變化是化是0.1F。 v非線性小于滿度輸出的非線性小于滿度輸出的1.5%，而零漂和靈敏度隨，而零漂和靈敏度隨溫度變化均小于溫度變化均小于1.5%/。由加速度引起的誤差小。由加速度引起的誤差小于于0.02%/g。 電容測厚儀電容測厚儀 主要用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，主要用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其工作原理如圖所示。它在自動化厚度檢測中得其工作原理如圖所示。它在自動化厚度檢測中得到較為廣泛的應(yīng)用。到較為廣泛的應(yīng)用。 1、被