《傳感器技術(shù)基礎(chǔ)》

1第2章變電抗式傳感器原理與應(yīng)用3.4電容式傳感器3.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用23.3.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變面積型電容傳感器3.變介電常數(shù)型電容傳感器4.變極距型電容式傳感器3什么是電容器？電容器有兩個(gè)用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷導(dǎo)體之間的電壓差41.工作原理

S——極板相對覆蓋面積；

d——極板間距離；

εr——相對介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)（8.85pF/m）；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。δSε5等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場均勻電場3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2－電極3－等位環(huán)62.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板沿著長度方向平移時(shí)，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關(guān)系7電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系83.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容電容式液位傳感器電容與液位的關(guān)系為：9當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系104.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則式（3.3.3）可簡化為若極距縮小△d最大位移應(yīng)小于間距的1/10差動(dòng)式改善其非線性初始電容11變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)123.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用133.4.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度被測量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比2.非線性14平板式變面積型b△aab

dkg減小d、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度15變極距型，其靜態(tài)靈敏度為將上式展開成泰勒級數(shù)得但d過小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kv/mm)在極間加一層云母片(擊穿電壓>103kv/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性能差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度162.非線性變極距型

將上式展開成泰勒級數(shù)得d取值不能大，否則將降低靈敏度17采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍如果采用容抗作為電容式傳感器輸出量被測量與d成線性關(guān)系

無需滿足183.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用193.4.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.特點(diǎn)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)201、特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 1.溫度穩(wěn)定性好（電容值與電極材料無關(guān)本身發(fā)熱極小）

2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)21動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小

可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，減小了慣性

其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電

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(dòng)、瞬時(shí)壓力等。22缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差

傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106～108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響

2、寄生電容影響大

傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度232.設(shè)計(jì)要點(diǎn)

減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)24(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝

電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上 噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）

電極支架：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、人造寶石及各種陶瓷等做支架

電介質(zhì)：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）傳感器密封，用以防塵、防潮采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、測量電路來減小溫度等誤差25(2).消除和減小邊緣效應(yīng)

危害：靈敏度降低、產(chǎn)生非線性適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍26(3)消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外界干擾（a）屏蔽和接地（b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地27(5)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用

減小非線性誤差 提高傳感器靈敏度 減小寄生電容的影響 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響283.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用293.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；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Rg是極間等效漏電阻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rC0CPRgL30低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容C=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

CRg31高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈r

reCL32由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。333.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用343.4.5電容式傳感器測量電路

(1)運(yùn)算放大器電路(2)脈寬調(diào)制電路(3)調(diào)頻電路(4)雙T型電橋電路35(1).運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACx∑～u036由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性

假設(shè)放大器開環(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。

37(2).差動(dòng)脈沖調(diào)寬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就能得到對應(yīng)被測量變化的直流信號38差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖3940uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。41C1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得

結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比42設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性43(3)調(diào)頻電路44當(dāng)被測信號為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測信號不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)45(4)二極管雙T型電路電源為正半周D1短路D2開路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE

4647電路的特點(diǎn):①線路簡單，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(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。48優(yōu)點(diǎn)：

采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高 不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求 也不需要相敏檢波與解調(diào)等 對元件無線性要求 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 對輸出矩形波的純度要求也不高493.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用503.4.6電容式傳感器的應(yīng)用

(1)電容式差壓傳感器(2)電容式振動(dòng)位移傳感器(3)電容式加速度傳感器51P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

52電容式位移傳感器應(yīng)用

53231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度電容式加速度傳感器5455補(bǔ)充