1、1,第二章 位移檢測(cè)傳感器,電容式位移傳感器,26分填空，選擇，問(wèn)答,2,電容式位移傳感器：是利用電容量的變化來(lái)測(cè)量線(xiàn)位移或角位移的裝置。,3,1、 電容式位移傳感器工作原理,S 極板間的覆蓋面積（m2）； 極板間距離（m)； r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；在空氣中r=1 0真空介電常數(shù)，0 =8.85410-12 F/m ； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。,4,由上式可知，電容量C是幾何參數(shù)和S及介電常數(shù) 的函數(shù)，任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。,1、 電容式位移

2、傳感器工作原理,5,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。,2、 電容式位移傳感器的分類(lèi),變極距型電容位移傳感器：具有較高的靈敏度、但電容變化與極距變化之間為非線(xiàn)性關(guān)系。 變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）電容位移傳感器：具有比較好的線(xiàn)性，但靈敏度比較低。,6,3、 電容式位移傳感器的使用方式,封閉形式下使用 開(kāi)放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為導(dǎo)體時(shí)），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為絕緣體時(shí)）,由于帶電極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱影響小，而使其能

3、在高頻范圍內(nèi)工作。 電容位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄漏電容，造成測(cè)量誤差。,4、 電容式位移傳感器的特點(diǎn),7,（一）變極距型電容位移傳感器,基本工作原理,由上式可知，電容量C與極板間距成雙曲線(xiàn)關(guān)系，如右圖所示,8,（一）變極距型電容位移傳感器,基本工作原理,變極距型電容位移傳感器,9,設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為0,則初始電容量：,當(dāng)動(dòng)極板上移，極距0減小，傳感器的電容量,電容增量：,基本工作原理,10,略去高次非線(xiàn)性項(xiàng)，得電容的相對(duì)變化量為：,傳感器的靈敏度為：,11,非線(xiàn)性誤差與/0有關(guān)。其表達(dá)式為：,12,變極距型電容位移傳感器小結(jié),只能用于小位移測(cè)量，只有在小位移測(cè)量時(shí)

4、，其靈敏度才為常數(shù)（由上述分析可知，只有在/0 1的情況，電容隨極板間距離的變化才近似成線(xiàn)性關(guān)系）,其靈敏度與初始極距0的平方成反比，故可通過(guò)減小初始極距來(lái)要提高靈敏度。,但當(dāng)0 過(guò)小時(shí)，又容易引起擊穿，或短路。同時(shí)加工精度要求也高了。故一般在極板間采用高介電常數(shù)的材料如，放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)作為介質(zhì)。,存在線(xiàn)性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線(xiàn)性，改善線(xiàn)性度，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。,13,為提高靈敏度和改善非線(xiàn)性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。,雙板式差動(dòng)電容器,兩定板和中間一塊動(dòng)板組成差動(dòng)結(jié)構(gòu),14,差動(dòng)式變間隙型電容傳感器,15,差動(dòng)式電容位移傳感器,把電容位移傳感器連接成差動(dòng)形

5、式，當(dāng)中間活動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，一邊電容增加，另一邊電容減小，總的電容變化為兩者的代數(shù)和。這樣不僅提高靈敏度，同時(shí)使在零點(diǎn)附近工作的線(xiàn)性度也得到了改善。,16,動(dòng)極板上移時(shí)：,初始位置時(shí)，,17,18,19,非線(xiàn)性誤差減小,非線(xiàn)性誤差為：,20,5月2日第二大節(jié)結(jié)束,21,變面積型電容位移傳感器可用于線(xiàn)位移測(cè)量，也可用于角位移測(cè)量。 根據(jù)不同需要采用平板型極板、圓筒型極板或鋸齒型極板 這類(lèi)傳感器輸入/輸出具有線(xiàn)性特性,（二）變面積型電容位移傳感器,22,變面積型,23,(b)角位移變面積型,變面積型,24,當(dāng)有效覆蓋從S0 變至 S，則,可見(jiàn)S與C的變化呈線(xiàn)性關(guān)系，故其靈敏度為常數(shù)：,可見(jiàn)，變面積式

6、電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線(xiàn)形關(guān)系,動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。,工作原理：,25,圖中所示線(xiàn)位移式傳感器：,則有：,可見(jiàn)，電容相對(duì)變化量與水平位移是線(xiàn)性關(guān)系,（1）線(xiàn)位移型,當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)L后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為,靈敏度為：,26,（2）角位移型,電容的相對(duì)變化量為：,當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為,27,（2）角位移型,則其靈敏度為：,可見(jiàn)，（1）傳感器的電容量與角位移呈線(xiàn)性關(guān)系； （2）增大傳感器的初始面積或減小極板間距有利于增大傳感器的靈敏度K。,28,初始

7、電容為C0（當(dāng)位移x=0時(shí)，動(dòng)極板1和定極板2完全相互覆蓋時(shí)）：,D1,D0,L,x,（3）同心圓筒形電容位移傳感器,29,（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器,電容液位計(jì),設(shè)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為2，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1 ，液位高度為h，傳感器變換器高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D,液位傳感器的等效電路,30,當(dāng)液面高度為零時(shí)，傳感器的初始電容值為：,（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器,電容液位計(jì),31,有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：,可見(jiàn)，電容式液位計(jì)具有線(xiàn)性輸出特性。在用于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。故這種傳感器可以測(cè)量液位、料位的高度。,（三）變介質(zhì)型電容

8、位移傳感器,電容液位計(jì),32,厚度傳感器,（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器,在用于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。但也有輸入/輸出呈非線(xiàn)性關(guān)系的。 下圖中是一改變介質(zhì)電容傳感器，它的輸入/輸出呈非線(xiàn)性關(guān)系。極間介質(zhì)材料可為紙、布或膠片，這種傳感器可用于測(cè)量介質(zhì)的厚度；也可通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)間接測(cè)量影響介電常數(shù)的某些量，如濕度、溫度等。,電容測(cè)厚儀,33,設(shè)極板形狀為長(zhǎng)方形，面積為S,兩極板間的距離為d；被測(cè)物的厚度為,（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器,0 真空介電常數(shù) r 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 介質(zhì)的介電常數(shù)， = r 0在空氣中r=1,電容測(cè)厚儀,r,34,電容測(cè)厚

9、儀,C1,C3,C2,d,電容C與介質(zhì)厚度介電常數(shù)之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的,35,（四）容柵式電容位移傳感器,容柵位移傳感器的工作原理,容柵位移傳感器是根據(jù)在間隙和介電常數(shù)一定的條件下，電容C的變化量的大小與耦合面積S變化量的大小成正比，因此容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。,容柵位移傳感器可分為兩類(lèi)，即長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器。,36,（四）容柵式電容位移傳感器,容柵位移傳感器是將電容傳感器中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，適宜進(jìn)行大位移測(cè)

10、量。,容柵位移傳感器的工作原理,37,（四）容柵式電容位移傳感器,見(jiàn)P19 圖2-13a,1是固定容柵，2是可動(dòng)容柵，在A、B面上分別印制（或刻劃）一系列均勻分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）。固定容柵與可動(dòng)容柵柵極面相對(duì)，中間留有間隙，形成一對(duì)對(duì)電容。當(dāng)可動(dòng)容柵相對(duì)固定容柵移動(dòng)時(shí)每對(duì)電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測(cè)出線(xiàn)位移或角位移。,容柵位移傳感器的工作原理,38,（四）容柵式電容位移傳感器,長(zhǎng)容柵位移傳感器,式中：n為可動(dòng)容柵的柵極數(shù) a、b分別為柵極的寬度和長(zhǎng)度（m),在測(cè)量位移時(shí)，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，則覆蓋面積發(fā)生變化，因此其電容量隨之變化，所以根據(jù)所測(cè)電容量的變化可

11、知位移的變化量。,忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵的最大電容量為：,39,（四）容柵式電容位移傳感器,圓容柵位移傳感器,式中：R、r柵極外半徑和內(nèi)半徑（m） 每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角（rad),動(dòng)?xùn)呸D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使兩柵之間的覆蓋角由變?yōu)閤,電容C隨之變化。,見(jiàn)P19 圖2-13b,片狀圓容柵的兩圓盤(pán)1、2同軸安裝，柵狀成輻射狀，可動(dòng)容柵隨被測(cè)對(duì)象一起轉(zhuǎn)動(dòng)。忽略電容邊緣效應(yīng)，圓容柵的最大電容量為：,40,容柵式傳感器它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，分辨力高，提高了抗干擾能力、提高了測(cè)量精度(可達(dá)5um)、極大地?cái)U(kuò)展了量程(可達(dá)1m)，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量，對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所

12、降低，是一種很有發(fā)展前途的傳感器。,容柵式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：,41,1、電容位移傳感器的屏蔽和接地問(wèn)題,傳感器的初始電容量很小，而極板與周?chē)矬w、各種儀器、電纜以至人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附加電容，稱(chēng)為寄生電容。這些寄生電容較大，與傳感器電容相并聯(lián)，改變了電容傳感器的電容量，一方面降低量傳感器的靈敏度，另一方面這些寄生電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，從而導(dǎo)致了電容位移傳感器特性的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。,措施：為了解決此問(wèn)題，通常對(duì)電容位移傳感器及其引線(xiàn)采取屏蔽措施，將傳感器放在金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)安全可靠。,（五）電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽,42,2. 電容式位移傳感器的絕緣 電容位移傳感器的

13、一般比較小，如果電源頻率不高，則傳感器本身的容抗就會(huì)相當(dāng)大，具有如此大內(nèi)阻的電容位移傳感器，通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，我們稱(chēng)之為漏電阻。若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零位漂移。,解決方法：絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、石英等，使用時(shí)要進(jìn)行表面密封。,43,課堂練習(xí),44,14、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（ ）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。（練一）,45,14、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（ 極板間隙 ）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。,

14、46,35、畫(huà)出變極距型電容位移傳感器測(cè)量線(xiàn)位移的原理示意圖，并分析小位移測(cè)量的靈敏度。(單元一）,47,（一）變極距型電容位移傳感器,48,設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為0,則初始電容量：,當(dāng)動(dòng)極板上移，極距0減小，傳感器的電容量,電容增量：,49,略去高次非線(xiàn)性項(xiàng)，得電容的相對(duì)變化量為：,傳感器的靈敏度為：,50,15、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以提高測(cè)量（ ），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的線(xiàn)性度得到改善。（模擬二）,51,15、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以提高測(cè)量（ 靈敏度 ），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的線(xiàn)性度得到改善。,52,4、電容式測(cè)厚儀應(yīng)用的傳感器屬于（

15、模擬三） A.容柵式電容傳感器 B.變極距型電容傳感器 C.變介質(zhì)型電容傳感器 D.變極板面積型電容傳感器,53,4、電容式測(cè)厚儀應(yīng)用的傳感器屬于 C.變介質(zhì)型電容傳感器,54,15、變極距型電容位移傳感器只有在（ ）測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為常數(shù)。,55,15、變極距型電容位移傳感器只有在（小位移）測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為常數(shù)。,56,31、某變極距型位移傳感器的極板直徑為D=10mm,極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r=500,空氣介電常數(shù)0=8.85x10-12F/m。當(dāng)極板間的初始距離0=5mm 時(shí)，求在微小位移測(cè)量時(shí)該傳感器的靈敏度。（模擬五）,57,傳感器的靈敏度為：,58,4、下列電容式位移傳感器

16、中，測(cè)量范圍最大的是。（密押一） A. 變極板面積型 B.變極距型 C.變介質(zhì)型 D.容柵式,59,4、下列電容式位移傳感器中，測(cè)量范圍最大的是。（密押一） D.容柵式,60,15、電容式傳感器根據(jù)工作原理可分為變極距型、變面積型和( )型（密押一）,61,15、電容式傳感器根據(jù)工作原理可分為變極距型、變面積型和(變介質(zhì))型（密押一）,62,4、電容式液位計(jì)屬于（2010）,A.容柵型電容式傳感器 B.改變介質(zhì)型電容式傳感器 C.改變極距型電容式傳感器 D.改極板面積型電容式傳感器,63,4、電容式液位計(jì)屬于（2010）,B.改變介質(zhì)型電容式傳感器,64,課后作業(yè),65,25、差動(dòng)式電容位移傳感器有哪些特點(diǎn)？（模擬三）,25、簡(jiǎn)述容柵式電容位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)？（模擬四）,66,25、差動(dòng)式電容位移