1、第4章電容式傳感器,2,特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,1.2,第4章電容式傳感器,測(cè)量電路,4.3,電容式傳感器及其應(yīng)用,4.4,3,電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使它揚(yáng)長(zhǎng)避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。,第4章電容式傳感器,4,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容量與真空介電常數(shù)0(8.8541012F/m)、極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r、極板的有效面積A以及兩極板

2、間的距離有關(guān)：(4-1)若被測(cè)量的變化使式中、A、r三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化，再通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。,C=0rA/,5,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為0，由式(4-1)可知其初始電容量C0為,(4-2),4.1.1變極距型電容傳感器,圖4.1變極距型電容傳感器原理圖,6,當(dāng)動(dòng)極端板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使0減小時(shí)，電容量增大C,則有(4-3)可見，傳感器輸出特性Cf()是非線性的，如圖4-2所示。電容相對(duì)變化量為(4-4)如果滿足條件(0/0)1，式(4-4)可按

3、級(jí)數(shù)展開成(4-5),4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,7,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,略去高次(非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為和如果考慮式(4-5)中的線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則,(4-6),(4-7),(4-8),8,式(4-6)的特性如圖4.3中的直線1，而式(4-8)的特性如曲線2。因此，以式4-6作為傳感器的特性使用時(shí)，其相對(duì)非線性誤差ef為,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,9,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|/0|很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線性輸出；(2)靈敏度S與初始極距0的平方成反比，故可用減少0的辦法來提高靈敏度。例如在電容式壓力

4、傳感器中，常取00.10.2mm，C0在20100pF之間。由于變極距型的分辨力極高，可測(cè)小至0.01m的線位移，故在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。,(4-9),10,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,由式(4-9)可見,0的減小會(huì)導(dǎo)致非線性誤差增大；0過小還可能引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)。設(shè)兩種介質(zhì)的相對(duì)介電質(zhì)常數(shù)為r1(空氣：r11)、r2，相應(yīng)的介質(zhì)厚度為1、2，則有:,(4-10),11,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。有了云母片，極板間起始距離可大大減小

5、,同時(shí)傳感器的輸出特性的線性度得到改善。,12,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,13,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,(4-11),略去高次項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系,(4-12),提高一倍,14,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,相對(duì)非線性誤差ef為,(4-13),上式與式(4-6)及式(4-9)相比可知，差動(dòng)式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。,減小,15,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,4.1.2變面積型電容傳感器,中間極移動(dòng)式變面積型,差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型,板狀線位移變面積型,角位移變面積型,筒狀線位移變面積型,結(jié)構(gòu)型式,16,4.1工作原理

6、、結(jié)構(gòu)和特性,與變極距型不同的是，被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。,1)板狀線位移型,17,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度0方向平移時(shí)，則電容為,(4-14),18,(4-16),4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,19,2)角位移型,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,20,當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。,當(dāng)=0時(shí)，則,當(dāng)0時(shí)，則,線性,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,21,3)筒狀電容傳感器,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,圓柱型，當(dāng)動(dòng)極板有一線位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變

7、化。,22,線性,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,23,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,4)差動(dòng)結(jié)構(gòu),(a)扇型平板結(jié)構(gòu),(b)柱面結(jié)構(gòu),24,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,扇形平板結(jié)構(gòu),柱面型結(jié)構(gòu),25,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,兩平行極板固定不動(dòng)，極距為0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電容量C為兩個(gè)電容C1和C2的并聯(lián)結(jié)果。,4.1.3變介質(zhì)型電容傳感器,電介質(zhì)插入式,26,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,27,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,上述原理可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測(cè)量。將電容器極板插入被監(jiān)測(cè)的介質(zhì)中，隨著灌裝量的增加，極板覆蓋面

8、增大。由式(4-20)可知，測(cè)出的電容量即反映灌裝高度。,28,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式,29,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式,30,4.1工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式,31,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,1.優(yōu)點(diǎn)：.溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。,4.2.1特點(diǎn),32,.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大

9、的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個(gè)105N），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，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆Hz的頻率下工作，特別適用于動(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)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,33,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,34,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,35,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,36,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,37,圖4.9電容傳感器的等效電路,4.2

10、特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,38,圖中C為傳感器電容，Rp為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一，下面專門討論?？梢姡趯?shí)際應(yīng)用中，特別在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需考慮L的存在，會(huì)使傳感器有效電容,(4-21),(4-22),變化，從而引起傳感器有效靈敏度的改變,在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,39,(4-23),邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，

11、而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,40,3.靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場(chǎng)，而作用有靜電引力或力矩。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)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,41,4.寄生電容電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小(幾pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)(見圖4.9)，嚴(yán)重影響

12、感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]有用信號(hào)而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,42,這種接線法使內(nèi)屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對(duì)內(nèi)屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響；而內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了驅(qū)動(dòng)放大器的負(fù)載。因此驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸入的相移為零。,圖4.11驅(qū)動(dòng)電纜法原理圖,驅(qū)動(dòng)電纜法實(shí)際上是一種等電位屏蔽法：在電容傳感器與測(cè)量電路的前置級(jí)之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅(qū)動(dòng)放大器。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,43,圖

13、4.12整體屏蔽法原理圖,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,44,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,45,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,46,溫度對(duì)介質(zhì)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07%/；若環(huán)境溫度變化50，則將帶來7%的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。,4.2特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問題,47,4.3測(cè)量電路,電容式傳感器將被測(cè)非電量變換為電容變化后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。,48,4.3.1變壓器電橋如圖

14、4.13所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。電橋的空載輸出電壓為,(4-24),4.3測(cè)量電路,圖4.13變壓器電橋,49,圖4.13變壓器電橋,對(duì)變極距型電容傳感器，代入上式得,可見，對(duì)變極距型差動(dòng)電容傳感器的變壓器電橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線性。,4.3測(cè)量電路,50,4.3測(cè)量電路,51,若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，電容C2的電壓初始值為UE，經(jīng)R2、RL放電，流過RL的放電電流為i2，流過RL的總電流iL為i1和i2的代數(shù)和。,4.3測(cè)量電路,52,在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截

15、止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i2向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過RL的放電電流為i1。流過RL的總電流iL為i1和i2的代數(shù)和。,4.3測(cè)量電路,53,(4-25),當(dāng)傳感器沒有位移輸入時(shí)，C1C2，則電流i1=i2i2=i1，流過RL的電流iL和iL大小相等且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。RL在一個(gè)周期內(nèi)流過的平均電流為零，無電壓輸出。當(dāng)C1或C2變化時(shí)，RL上產(chǎn)生的平均電流將不再為零，因而有信號(hào)輸出。其輸出電壓的平均值為,式中：f為電源頻率。,4.3測(cè)量電路,54,(4-26),輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值

16、有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。,4.3測(cè)量電路,55,該電路適用于各種電容式傳感器。它的應(yīng)用特點(diǎn)和要求：(1)電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；(2)二極管D1、D2工作于高電平下，因而非線性失真??；(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)將D1、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容影響；線路簡(jiǎn)單；(5)輸出電壓較高。,4.3測(cè)量電路,56,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,隨著電容式傳感器應(yīng)用問題的完善解決，它的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯：(1)分辨力極高，能測(cè)量低達(dá)10-7的電容值0.01m

17、的絕對(duì)變化量和高達(dá)(C/C100%200%的相對(duì)變化量，因此尤適合微信息檢測(cè)；(2)動(dòng)極質(zhì)量小，可無接觸測(cè)量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性；(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含有機(jī)材料或磁性材料，對(duì)環(huán)境(除高濕外)的適應(yīng)性較強(qiáng)；(4)過載能力強(qiáng)。,57,圖4.18電容式位移傳感器1-測(cè)桿；2-開槽簧片；3-固定電極；4-活動(dòng)電極,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,58,電容式撓性加速度傳感器,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,59,圖4.19所示為電容式傳感器及由其構(gòu)成的力平衡式撓性加速度計(jì)。敏感加速度的質(zhì)量組件由石英動(dòng)極板及力發(fā)生器線圈組成；并由石英撓性梁彈性支承，其穩(wěn)定性極高。固定于殼

18、體的兩個(gè)石英定極板與動(dòng)極板構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu)；兩極面均鍍金屬膜形成電極。由兩組對(duì)稱E形磁路與線圈構(gòu)成的永磁動(dòng)圈式力發(fā)生器，互為推挽結(jié)構(gòu)，這大大提高了磁路的利用率和抗干擾性。工作時(shí)，質(zhì)量組件敏感被測(cè)加速度，使電容傳感器產(chǎn)生相應(yīng)輸出，經(jīng)測(cè)量(伺服)電路轉(zhuǎn)換成比例電流輸入力發(fā)生器，使其產(chǎn)生一電磁力與質(zhì)量組件的慣性力精確平衡，迫使質(zhì)量組件隨被加速的載體而運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，流過力發(fā)生器的電流，即精確反映了被測(cè)加速度值。,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,60,電容式加速度傳感器,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,61,4.4.3電容式力和壓力傳感器扁環(huán)形彈性元件內(nèi)腔上下平面上分別固連電容傳感器的定極板和動(dòng)極板。稱重時(shí)，彈性元件

19、受力變形，使動(dòng)極板位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化，從而引起由該電容組成的振蕩頻率變化。,定極板,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,62,在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱重時(shí)，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個(gè)孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測(cè)量誤差大大減小（誤差平均效應(yīng)）。,4.4電容式傳感器及其應(yīng)用,63,加有預(yù)張力的不銹鋼膜片作為感壓敏感元件，同時(shí)作為可變電容的活動(dòng)極板。電容的兩個(gè)固定極板是在玻璃基片上鍍有金屬層的球面極片。在壓差作用下，膜片凹向壓力小的一面，導(dǎo)致電容量發(fā)生變化。,電容式壓力傳感器,球面