1、第4章 電容式傳感器,1,PPT學(xué)習(xí)交流,測(cè)量電路,1.2,第4章 電容式傳感器,誤差分析,4.3,電容式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,4.4,2,PPT學(xué)習(xí)交流,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,3,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,第一節(jié) 基本工作原理、結(jié)構(gòu)和特性,兩平行極板組成的電容器,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為:,式中d、S或三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起

2、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間距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型 。,4,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,當(dāng)傳感器的和S為常數(shù)，初始極距為d ，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可知其初始電容量C0為,一、 變間距型電容傳感器,變極距型電容傳感器原理圖,5,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)可動(dòng)極板向下移動(dòng)d 時(shí)，電容量變?yōu)?電容的變化量為,第4章 電容式傳感器,負(fù)號(hào)表示：電容的變化是隨著兩極板間距的增大而減小的。,電容的相對(duì)變化量,靈敏度,變間距型電容傳感器的電容C隨間距的變化時(shí)非線性的。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,如果滿足條件(d/d)1，則可按級(jí)數(shù)展開成,第4章 電容式傳感器

3、,略去高次(非線性)項(xiàng)，則,近似呈線性關(guān)系,靈敏度,7,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,如果考慮式中級(jí)數(shù)展開中的一次 項(xiàng)，則,其相對(duì)非線性誤差,8,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,變極距型電容傳感器只有在|d/d| 很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線性輸出； 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，但d的減小，一是將增大非線性，二是也會(huì)受到電容器擊穿電壓的影響； 為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。,9,PPT學(xué)習(xí)交流,動(dòng)極板置于兩定極板之間，初始位置時(shí)，d1d2d，兩邊初始電容相等。當(dāng)動(dòng)板向上移 d 時(shí)，兩邊極距變化為:,第4章 電容式傳感器,按級(jí)數(shù)展開：,電容總的變化量為：,10,PPT學(xué)習(xí)交流

4、,靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。,電容值相對(duì)變化量為,忽略高次項(xiàng)，則此電容傳感器的線性關(guān)系近似為：,靈敏度,其相對(duì)非線性誤差,第4章 電容式傳感器,11,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,二、 變面積型電容傳感器,設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為S，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)X，則面積S發(fā)生變化，電容量也改變。,靈敏度：,12,PPT學(xué)習(xí)交流, 增大介電常數(shù)、極板邊長(zhǎng)b或減小極板間距d，都可以提高傳感器的靈敏度； 極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大； X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。,第4章 電容式傳感器,變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏

5、度為一常數(shù)。,13,PPT學(xué)習(xí)交流,為了提高靈敏度和克服極板的邊緣效應(yīng)，改善非線性?？刹捎萌鐖D所示的差動(dòng)式變面積型傳感器。,該傳感器有三個(gè)極板，上面的為可動(dòng)電極，也是公共電極，它與兩個(gè)固定電極分別電容 C1 和 C2，當(dāng)可動(dòng)電極向右（或向左）移動(dòng)時(shí)，電容C1減?。ɑ蛟黾樱?，而電容C2增加 （或減?。顒?dòng)輸出， 提高了靈敏度，非線性 得到改善。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,15,PPT學(xué)習(xí)交流,第4章 電容式傳感器,圖示為平板形線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖，設(shè)平行板面積為S=Lb，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，當(dāng)電容器內(nèi)無(wú)介電常數(shù)為1的電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容為 插入介電常數(shù)為1的電介質(zhì)時(shí)，電容器的電容變?yōu)?三、變介電

6、常數(shù)型電容傳感器,電容C與介電常數(shù)為1的電介質(zhì)的位移x成線性關(guān)系,16,PPT學(xué)習(xí)交流,被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。,1液體介質(zhì)介電常數(shù)； 0空氣中介電常數(shù)（F/m）； h電極板總長(zhǎng)度（m）； r內(nèi)電極板外徑（m）； R外電極板內(nèi)徑（m）； x液面高度（m）。 可見，輸出電容C與液面高度 x 成線性關(guān)系。,液面高度,17,PPT學(xué)習(xí)交流,置于某儲(chǔ)存罐的電容式液位傳感器由半徑為20mm和4mm的兩個(gè)同心圓柱體組成，并與儲(chǔ)存罐等高。儲(chǔ)存罐也是圓柱形，半徑為25cm，高為1.2m，被儲(chǔ)存液體的r=2.1。試計(jì)算傳感器

7、的最小電容和最大電容以及傳感器用在該儲(chǔ)存罐內(nèi)的靈敏度。,解：當(dāng)被測(cè)液位為零時(shí)，傳感器電容最小，即有,同理，當(dāng)被測(cè)液位高度最大，即h=H=1.2m時(shí)傳感器電容最大，即有,儲(chǔ)存罐的容積為,故傳感器的靈敏度為,18,PPT學(xué)習(xí)交流,有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。,19,PPT學(xué)習(xí)交流,第二節(jié) 電容式傳感器的測(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)。 目前的測(cè)量電路種類很多，一般可歸為調(diào)幅、調(diào)頻、脈沖三大類型。 調(diào)幅測(cè)量電路-用被測(cè)量

8、調(diào)制電路中輸出量幅度的電路。 調(diào)頻測(cè)量電路-用被測(cè)量調(diào)制電路中輸出量頻率的電路。 脈沖調(diào)制測(cè)量電路- 用被測(cè)量調(diào)制電路中脈沖輸出量的電路。,20,PPT學(xué)習(xí)交流,(一) 交流電橋測(cè)量電路,一、 調(diào)幅測(cè)量電路,電橋初始處于平衡狀態(tài)，且輸出端開路，有,當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，將引起阻抗Z1變化Z，于是電橋失去平衡，輸出電壓為,將電橋平衡條件Z1Z4=Z2Z3代入，設(shè)橋臂比Z1/Z2=n，并考慮到ZZ，得,電橋的橋臂系數(shù),傳感器阻抗相對(duì)變化率,21,PPT學(xué)習(xí)交流,對(duì)于電容式傳感器，Z1為容抗，則有,電容式傳感器阻抗相對(duì)變化率是一個(gè)實(shí)數(shù)，與C近似成線性關(guān)系。,而橋臂比,式中是 橋臂比n的模； 是橋臂比n的相

9、角。所以，橋臂比n是一個(gè)復(fù)數(shù)，是信號(hào)頻率的函數(shù)。,22,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)a=1時(shí)，|K|為最大值Km，Km隨著而變化； =0 時(shí)，Km=0.25，輸出電壓與電源電壓同相位； =90 時(shí)，Km=0.5，輸出電壓相對(duì)電源電壓發(fā)生90 相移； =180 時(shí)，Km=，電橋發(fā)生振蕩，輸出電壓趨于無(wú)限大。,橋臂系數(shù)K為復(fù)數(shù)，表示為 。整理得K的模和相角為,23,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)a=1時(shí)，無(wú)論為任何值，始終為零，即輸出與電源同相位； 當(dāng)a時(shí)， 為最大值，且= ； 當(dāng)=0時(shí)， =0，這意味著當(dāng)橋臂Z1、Z2是相同性質(zhì)元件時(shí)，無(wú)論a為任何值，輸出電壓都與電源電壓同相。,橋臂系數(shù)K為復(fù)數(shù)，表示為 。整理得K的

10、模和相角為,因此，在橋路電源電壓和傳感元件阻抗相對(duì)變化量一定時(shí)，應(yīng)滿足兩橋臂初始阻抗模相等（a=1），且使兩橋臂阻抗角差盡量增大。,24,PPT學(xué)習(xí)交流,電橋電路,為了橋路平衡,四個(gè)橋臂中必須接入兩個(gè)電容，另外兩個(gè)橋臂接入其他類阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感、或兩個(gè)電容。,25,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)RL時(shí),26,PPT學(xué)習(xí)交流,代入，得,若在該電路中接入的電容式傳感器是變間距型，則,代入，得,若在該電路中接入的電容式傳感器是變面積型，則,結(jié)論：當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，電橋的輸出電壓與輸入量成線性。,27,PPT學(xué)習(xí)交流,電路的主要特點(diǎn)： 必須接成差動(dòng)形式使用； 電橋的交流激勵(lì)源的幅值和頻率 要

11、穩(wěn)定； 要求后續(xù)電路輸入阻抗無(wú)限大。,28,PPT學(xué)習(xí)交流,C為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高(Zi)，因此可視作理想運(yùn)算放大器。C0為一固定電容,(二) 運(yùn)算放大器測(cè)量電路,整理得,如果傳感器的電容式由平行板構(gòu)成， 則,29,PPT學(xué)習(xí)交流,可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的板間距離成正比。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問題。,上式是在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。,30,PPT學(xué)習(xí)交流,二、 調(diào)頻測(cè)量電路,高頻振蕩回路的振蕩頻率,傳感器起始電容,引線分布電容,振蕩

12、回路固定電容,當(dāng)被測(cè)量沒有變化時(shí)，,31,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)，振蕩器頻率隨之有個(gè)相應(yīng)的改變量 f，稱為頻偏。,整理得,可見當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容發(fā)生改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率f也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)了由電容到頻率的轉(zhuǎn)換。,在測(cè)量電路中，伴隨頻率的改變，振蕩器輸出幅值往往也會(huì)改變，為克服后者，在振蕩器之后要加限幅環(huán)節(jié)。,32,PPT學(xué)習(xí)交流,三、 脈沖調(diào)制測(cè)量電路,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，如圖(b)所示。在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓-UE ，如圖(c)所示。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)t=

13、t1時(shí)進(jìn)入負(fù)半周，C2很快被充 電至電壓-UE，但此時(shí)C1上的電荷 還來(lái)不及通過負(fù)載電阻RL放電， 電壓仍為UE。由于R1=R2=R，在t1 瞬間，c點(diǎn)和o點(diǎn)電勢(shì)相等，RL上電流為零。隨著C1放電，c點(diǎn)電勢(shì)越來(lái)越比o點(diǎn)低，則RL上電流逐漸增大。,故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：,34,PPT學(xué)習(xí)交流,當(dāng)RL已知時(shí)， 常數(shù)，設(shè)為K，則,輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(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)。,35,PPT學(xué)習(xí)交流,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。通過低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直

14、流信號(hào)。,C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。,36,PPT學(xué)習(xí)交流,脈沖調(diào)寬電路波形圖,C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為：,A、B兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點(diǎn)電壓平均值UA與UB之差,37,PPT學(xué)習(xí)交流,設(shè)R1R2R，則,說(shuō)明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。,可見差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，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(wú)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

15、8,PPT學(xué)習(xí)交流,例題：P54,解: (1)根據(jù)運(yùn)放知識(shí)，得,題目中,為了滿足U0與x呈線性關(guān)系，Cx應(yīng)接在輸入回路C1位置，CF應(yīng)接在反饋回路C2位置，此時(shí)有,39,PPT學(xué)習(xí)交流,(3)由U0的表達(dá)式求該測(cè)量變換系統(tǒng)的輸出電壓靈敏度,(2)由Cx的表達(dá)式求電容式傳感器的靈敏度,40,PPT學(xué)習(xí)交流,第二節(jié) 電容式傳感器的誤差分析,圖中C為傳感器電容， Rp為損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗； Rs為引線、極板、金屬支座等引起的的串聯(lián)損耗電阻； Ls為電流回路的總電感； Cp為寄生電容，分析可視 為含于傳感器電容C中。,在電容器的各種損耗、電場(chǎng)邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等因素不可忽略

16、時(shí)，其等效阻抗,41,PPT學(xué)習(xí)交流,由于傳感器并聯(lián)電阻Rp一般都很大， Rs又相對(duì)較小，因而簡(jiǎn)化后可得等效電容,則電容的實(shí)際相對(duì)變化量為,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。,42,PPT學(xué)習(xí)交流,為了克服邊緣效應(yīng)，應(yīng)盡量增大前一項(xiàng)，減小后一項(xiàng)。增大前項(xiàng)，意味著增大極板面積，減小極板間距； 減小后項(xiàng)，意味著極板厚度要盡量小于極板間距。,43,PPT學(xué)習(xí)交流,邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，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)，如圖所示。,保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作

17、區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。,為減小極板厚度，往往不用 整塊金屬板做極板，而用石 英或陶瓷等非金屬材料，蒸 涂一薄層金屬作為極板。,44,PPT學(xué)習(xí)交流,三、寄生與分布電容 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)，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。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。,消除寄生與分布電容的影響，一是可從改善傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸下手，即增加初始電容值，使寄生與分布電容對(duì)傳感器的影響減小。二是使用各種屏蔽技術(shù)。,45,PPT學(xué)習(xí)交流,(一)、驅(qū)動(dòng)電纜法 它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法

18、。如圖所示：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。,內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸導(dǎo)線通過增益為1的放大器相連而為等電勢(shì)。電纜外屏蔽層接大地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。,46,PPT學(xué)習(xí)交流,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。,47,PPT學(xué)習(xí)交流,例題：P58,解：由圖可知，傳感器Cx兩端電壓為,而放大器-Aa的輸出電壓為,當(dāng) 時(shí)，電纜芯線

19、與內(nèi)屏蔽線等電勢(shì)，有,即,48,PPT學(xué)習(xí)交流,以差動(dòng)電容傳感器配用電橋測(cè)量電路為例，如圖所示。 C1和C2構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器，與平衡電阻R1和R2組成測(cè)量電橋，Cp1和Cp2為寄生電容 。,U,屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩平衡電阻阻抗臂R1和R2中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和Cp2分別與R1和R2相并聯(lián)。如果R1和R2比Cp1和Cp2的 容抗小得多，則寄生 電容Cp1和Cp2對(duì)電橋 平衡狀態(tài)的影響就很 小。,49,PPT學(xué)習(xí)交流,四、環(huán)境溫度,設(shè)一變極距型電容式傳感器，設(shè)固定極板厚度為h，線脹系數(shù)為ah；絕緣件厚度為b，線脹系數(shù)為ab；可動(dòng)版至絕緣層底部的殼體長(zhǎng)為L(zhǎng)，線脹系數(shù)為aL。 當(dāng)環(huán)境溫度為t時(shí)，極板間距為d=L-b-h。 當(dāng)環(huán)境溫度變化t時(shí)，極板間距變?yōu)閐t，有,50,PPT學(xué)習(xí)交流,將d=L-b-h帶入，整理得,消除由溫度變化而引起的電容相對(duì)誤差的條件為,在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)根據(jù)合理