1、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(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.3.1 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,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,1. 工作原理,S 極板相對(duì)覆蓋面積； d 極板間距離； r相對(duì)介電常數(shù)； 0真

2、空介電常數(shù)（8.85pF/m）； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。,等位環(huán) 結(jié)構(gòu),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),2. 變面積型電容傳感器,當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)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,電容式角位移傳感器,當(dāng)=0時(shí),當(dāng)0時(shí),傳感器電容量C與角位移間呈線性關(guān)系，但如果輸出是 ， 則是非線性關(guān)系。,3. 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：,當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容,當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)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,4. 變極距型電容傳感器,非線性關(guān)系,若d/d1

3、03kv/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,2. 非線性,變極距型,將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得,d 取值不能大，否則將降低靈敏度,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(cè)量與d 成線性關(guān)系,無需滿足,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(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.3 傳感器的特點(diǎn)

4、和設(shè)計(jì)要點(diǎn),1. 特 點(diǎn) 2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn),1、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(jiǎn)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(cè)量、具有平均效應(yīng),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(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，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(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。,缺 點(diǎn)：

5、,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)106108。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(cè)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(cè)量精度,2. 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

6、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),(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(cè)量電路來減小溫度等誤差,(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，

7、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(cè)量范圍,(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,(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,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

8、.5 電容式傳感器測(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.4 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(cè)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,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ReRg,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rer,由于電容傳感器電容

9、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)，且隨變化而變化。,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(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.5 電容式傳感器測(cè)量電路,(1) 電橋電路 (2) 運(yùn)算放大器電路 (3) 脈寬調(diào)制電路 (4)

10、調(diào)頻電路 (5) 雙T型電橋電路,(2). 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(hào),運(yùn)算放大器式電路原理圖,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。,(3). 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路,利用對(duì)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(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào),差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖,uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為,式中 UA

11、、UBA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。,C1、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,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,(4) 調(diào)頻電路,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f0，,當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為,具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m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

12、擾能力強(qiáng),(5)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,若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路,供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50%的方波 可直接得到電容C2的電流iC2如下:,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫成,故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為,同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為,電路的特點(diǎn) :,線路簡(jiǎn)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； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服

13、了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； 適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。,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(duì)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(duì)輸出矩形波的純度要求也不高,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(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用,(1) 電容式差壓傳感器 (2) 電容式加速度傳感器

14、 (3)電容式振動(dòng)位移傳感器 (4)電容式物位傳感器,電容式差壓傳感器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms) 能測(cè)微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力 需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,1、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(cè)很高的加速度,電容式加速度傳感器,電容式位移傳感器應(yīng)用,電荷平衡式位移傳感器,可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。,電容式物位傳感器,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

15、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(cè)量電路 3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.7 容柵式傳感器,(1) 基本類型及工作原理 (2) 容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式 (3) 信號(hào)處理方式 (4) 容柵式傳感器應(yīng)用,(1) 基本類型及工作原理,長容柵 圓容柵,片狀 柱狀,長容柵,n動(dòng)尺柵級(jí)片數(shù) a , b柵極片長度和寬度,柱狀圓容柵,r2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑 a 每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角（rad）,(2) 容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式,（a）直電極反射式 （b）直電極透射式 （c）反射式L型電極,(a)直電極反射式,結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，使用方便， 移動(dòng)過程中，導(dǎo)軌的誤差對(duì)測(cè)量精度影響較大,(b)直電極透射式,測(cè)量調(diào)整方便、安裝誤差和運(yùn)行誤差的影響降低、制造安裝困難,(c)反射式L型電極,增大反射電極的面積，增加耦合的電容量， 提高傳感器的靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力和提高穩(wěn)定性,(3) 信號(hào)處理方式,鑒幅式測(cè)量電路 系統(tǒng)可達(dá)到0.001mm分辨力，主要在測(cè)長儀上使用， 鑒相式測(cè)量電路 系統(tǒng)分辨力為0.01mm，主要在電子數(shù)字顯示卡尺等數(shù)顯量具上使用。,（a）鑒幅式測(cè)量系統(tǒng),（b）鑒相式測(cè)量系統(tǒng),式中，Um發(fā)射電極激勵(lì)信號(hào)基波電壓幅值； 發(fā)射電極激勵(lì)信號(hào)基波電壓的頻率。,設(shè),設(shè),反映了傳感器輸出電壓