電容傳感器及測(cè)量電路分享課件

1、1第四章第四章 電容傳感器電容傳感器2電容傳感器：被測(cè)物理量變化導(dǎo)致傳感器的電容量變化電容傳感器：被測(cè)物理量變化導(dǎo)致傳感器的電容量變化通過(guò)測(cè)量電容量的變化通過(guò)測(cè)量電容量的變化實(shí)現(xiàn)非電物理量的電測(cè)量實(shí)現(xiàn)非電物理量的電測(cè)量34.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng)如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為其電容量為) 14(0dSdScr式中式中: C 電容量，電容量，F(xiàn)(F(法拉）法拉） 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), =0r, 0為真空介電常數(shù)為

2、真空介電常數(shù), r 為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); S 兩平行板所覆蓋的面積（兩平行板所覆蓋的面積（m2）; d 兩平行板之間的距離兩平行板之間的距離(m)。 4對(duì)電容有影響的參數(shù)對(duì)電容有影響的參數(shù)有效面積有效面積S、間距間距d，相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)r 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（4- 1）中的）中的S、d或或 （ r r）發(fā)變化時(shí)發(fā)變化時(shí), 電容量電容量C也隨之變化。也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變?nèi)绻３制渲袃蓚€(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù)而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過(guò)

3、測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和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。變介質(zhì)型三種類型。5一、變面積（一、變面積（S）型）型改變平板電容器有效截面積的方法：改變平板電容器有效截面積的方法：直線位移角位移（旋轉(zhuǎn)）61. 角位移式角位移式當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)時(shí), , 動(dòng)極板與定極板間的有效面積就動(dòng)極板與定極板間的有效面積就改變改變, , 從而改變了兩極板間的電容量。從而改變了兩極板間的電容量。收音機(jī)中的收音機(jī)中的調(diào)諧電容就調(diào)諧電容就是這種形式是這種形式7當(dāng)當(dāng)=0 時(shí)時(shí), 兩平板之間

4、的有效面積為兩平板之間的有效面積為S。當(dāng)旋轉(zhuǎn)當(dāng)旋轉(zhuǎn)角時(shí)。對(duì)于圖角時(shí)。對(duì)于圖4-1（a）所示結(jié)構(gòu)的平板電容器，有效面）所示結(jié)構(gòu)的平板電容器，有效面積變?yōu)榉e變?yōu)?24()()1 (FdSdSC)1 ( SS電容量變?yōu)殡娙萘孔優(yōu)殡娙萘侩娙萘緾 C 與角位移量與角位移量線性比例線性比例, 增大，電容量增大，電容量C C 變變小小8靈敏度靈敏度dSddCK靈敏度與角位移無(wú)關(guān)靈敏度與角位移無(wú)關(guān)對(duì)于某個(gè)具體的變角位移電容傳感器，對(duì)于某個(gè)具體的變角位移電容傳感器，S、d、是常數(shù)是常數(shù)靈敏度是常數(shù)。靈敏度是常數(shù)。92. 直線位移型直線位移型當(dāng)動(dòng)片當(dāng)動(dòng)片1相對(duì)于定片相對(duì)于定片2有一直線位移有一直線位移x時(shí)時(shí), 兩

5、極板之間的有效面積兩極板之間的有效面積就改變就改變, 從而改變了兩極板間的電容量。從而改變了兩極板間的電容量。10在初始位置，動(dòng)片與定片無(wú)相對(duì)位移，有效面積在初始位置，動(dòng)片與定片無(wú)相對(duì)位移，有效面積)44()()(FdxabdSCXX)(xabSX電容量變?yōu)殡娙萘孔優(yōu)殡娙萘侩娙萘緾 CX X與位移量與位移量x線性比例線性比例, x增大，電容量增大，電容量C CX X變小變小baS動(dòng)片移動(dòng)動(dòng)片移動(dòng)x,有效面積有效面積11靈敏度靈敏度)54( dbdxdCKxx靈敏度與位移靈敏度與位移x無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)對(duì)于某個(gè)具體的變角位移電容傳感器，對(duì)于某個(gè)具體的變角位移電容傳感器，b、d、是常數(shù)是常數(shù)靈敏度是常數(shù)。靈

6、敏度是常數(shù)。12二、二、 變介質(zhì)介電常數(shù)（變介質(zhì)介電常數(shù)（）型）型不同的電介質(zhì)不同的電介質(zhì)具有不同的具有不同的介電常數(shù)介電常數(shù)變介質(zhì)變介質(zhì)常用于常用于l測(cè)液體容量（例如飛機(jī)油箱的測(cè)液體容量（例如飛機(jī)油箱的油量）油量）l液位高低液位高低l也可用于檢測(cè)片狀（薄膜）電也可用于檢測(cè)片狀（薄膜）電介質(zhì)的厚度介質(zhì)的厚度131. 電容測(cè)液位電容測(cè)液位對(duì)于該圖所示電容液位計(jì)對(duì)于該圖所示電容液位計(jì)高度為高度為h1的一部分的一部分液位計(jì)液位計(jì))64()/ln(2111rRhC總電容相當(dāng)于總電容相當(dāng)于C1、C2并聯(lián)并聯(lián)高度為高度為h2的一部分的一部分)74()/ln(2222rRhCC2C2C1C1C2C214故總

7、電容故總電容我們需要檢測(cè)的是我們需要檢測(cè)的是h1)84()/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln(2112122111221121BhAhrRrRhrRhhrRhrRhrRhCCC152. 電容測(cè)厚電容測(cè)厚待測(cè)電介質(zhì)厚度為待測(cè)電介質(zhì)厚度為d0,平板電容傳感器兩極板間距平板電容傳感器兩極板間距d待測(cè)電介質(zhì)厚度為待測(cè)電介質(zhì)厚度為d1,平板電容傳感器兩極板間距平板電容傳感器兩極板間距d基本間的空氣介質(zhì)厚度基本間的空氣介質(zhì)厚度 d0=d-d1)74()/ln(2222rRhC16對(duì)于該結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是由空氣介質(zhì)、電介質(zhì)構(gòu)成的兩個(gè)電容對(duì)于該結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是由空氣介質(zhì)、

8、電介質(zhì)構(gòu)成的兩個(gè)電容C0，C1串聯(lián)串聯(lián)C可以方便的測(cè)量，可以方便的測(cè)量，電介質(zhì)厚度電介質(zhì)厚度d1也就可以測(cè)量也就可以測(cè)量101001dSCdSCr)104() 11(101010ddSCCCCCr可以得出總的電容可以得出總的電容C為：為：17三、變極板距離三、變極板距離(d )型型圖圖 4- 4 為變極距型電容式傳感器的原理圖。為變極距型電容式傳感器的原理圖。0000dSdScr當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù), 初始極距為d0時(shí), 由式（4- 1）可知其初始電容量C0為18 若電容器極板間距離由初始值d0縮小x, 電容量增大C, 則有2020000000)(1111dxdxCdxCdxdSxdSdSC

9、x 由該式可知, 傳感器的輸出特性Cx =f(x)不是線性的。 由于1)(20dx)124()1 (00dxCCx19 在d0較小時(shí), 對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大, 從而使傳感器靈敏度提高。但d0過(guò)小, 容易引起電容器擊穿或短路,同時(shí)對(duì)制造和使用要求也提高。 為解決間隙小而造成的耐壓低問(wèn)題，可以在極板間使用特殊的絕緣材料，例如云母、聚酰亞胺等20一般變極板間距離電容式傳感器：起始電容在 20100pF之間 極板間距離在25200m的范圍內(nèi) 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 這類傳感器在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。 21單電容傳感器的特點(diǎn)單電容傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：線性度

10、低、靈敏度低缺點(diǎn)：線性度低、靈敏度低22四、差動(dòng)電容傳感器四、差動(dòng)電容傳感器單電容傳感器：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)單電容傳感器：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 線性度低、靈敏度低線性度低、靈敏度低差動(dòng)電容傳感器可以提高線性度和靈敏度。差動(dòng)電容傳感器可以提高線性度和靈敏度。差動(dòng)電容傳感器有兩種結(jié)構(gòu)差動(dòng)電容傳感器有兩種結(jié)構(gòu)l變間距變間距dl變面積變面積S231. 變間距變間距d將兩個(gè)邊檢舉行電容傳感器組合構(gòu)成將兩個(gè)邊檢舉行電容傳感器組合構(gòu)成中間基板上下移動(dòng)。中間基板上下移動(dòng)。（1）初始位置：）初始位置：000021dSdSCCCr中間基板上下移動(dòng)。中間基板上下移動(dòng)。d1與與d2一個(gè)增加一個(gè)減小一個(gè)增加

11、一個(gè)減小上下兩個(gè)極板與中間極板上下兩個(gè)極板與中間極板構(gòu)成的電容其電容量一個(gè)構(gòu)成的電容其電容量一個(gè)增加一個(gè)減小增加一個(gè)減小差動(dòng)差動(dòng)24（2） 上移上移差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出XdSC01XdSC02200021)(12dXdXCXdSXdSCCCd1=d-|d1=d-|x|, d2= d1=d+|x|, d2= d1=d+|x|, x|, 25對(duì)于電容傳感器，對(duì)于電容傳感器，X相對(duì)于相對(duì)于d比較?。ㄐ∮诒容^?。ㄐ∮?/10）靈敏度增加了靈敏度增加了輸出量輸出量C與位移量與位移量X近似為線性關(guān)系。近似為線性關(guān)系。dXCCdX02126（3） 下移下移差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出XdSC01XdSC02200021)(

12、12dXdXCXdSXdSCCCd1=d+|d1=d+|x|, d2= d1=d-|x|, d2= d1=d-|x|, x|, 27對(duì)于電容傳感器，對(duì)于電容傳感器，X相對(duì)于相對(duì)于d比較?。ㄐ∮诒容^小（小于1/10）當(dāng)考慮當(dāng)考慮x量，上移大于量，上移大于0，下移小于，下移小于0，則，則dXCCdX0221)(靈敏度增加了靈敏度增加了輸出量輸出量C與位移量與位移量X近近似為線性關(guān)系。似為線性關(guān)系。dXCdxdxCC0202)(122282. 變有效面積變有效面積S兩個(gè)圓筒形電容器兩個(gè)圓筒形電容器內(nèi)電極上下移動(dòng)內(nèi)電極上下移動(dòng)（1）初始位置）初始位置（2） 上移上移（3）下移）下移121122rhSr

13、hS中間圓筒電極中間圓筒電極與上下兩個(gè)外與上下兩個(gè)外圓筒的間隙很圓筒的間隙很小，小，有效面積可以有效面積可以按照按照2r2r計(jì)算計(jì)算29第二節(jié)第二節(jié) 測(cè)量電路測(cè)量電路電容傳感器的輸出電容值：幾皮乏電容傳感器的輸出電容值：幾皮乏幾十皮乏幾十皮乏通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量30一、測(cè)量電橋一、測(cè)量電橋1.單臂橋單臂橋（1）初始狀態(tài)）初始狀態(tài)CX=C3=CUO=0B BA A31（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C=C-CUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO42232（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C

14、=C+CUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO422332. 差動(dòng)橋差動(dòng)橋C1、C2為差動(dòng)電容為差動(dòng)電容（1）初始狀態(tài)）初始狀態(tài)C11=C2=C（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)C1=C+CC2=C-C（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài)C1=C-CC2=C+C34（2）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C1=C+C,C2=C-C這里的激勵(lì)信號(hào)為單臂橋的這里的激勵(lì)信號(hào)為單臂橋的2倍（倍（2U），如果還是按照單臂橋的），如果還是按照單臂橋的激勵(lì)信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)為U，則信號(hào)增強(qiáng)了，則信號(hào)增強(qiáng)了1倍倍電容變化與電容變化與UO變化的非線性被消

15、除變化的非線性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO) 1(35（3）工作狀態(tài)）工作狀態(tài): C1=C-C,C2=C+C這里的激勵(lì)信號(hào)為單臂橋的這里的激勵(lì)信號(hào)為單臂橋的2倍（倍（2U），如果還是按照單臂橋的），如果還是按照單臂橋的激勵(lì)信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)為U，則信號(hào)增強(qiáng)了，則信號(hào)增強(qiáng)了1倍倍電容變化與電容變化與UO變化的非線性被消除變化的非線性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO) 1(363， 緊耦合橋緊耦合橋（1） 初始狀態(tài)初始狀態(tài)（2）C1=C+C，C2=C-C（3） C1=C-C，C2=C+C37二、差動(dòng)脈沖調(diào)制電路二、差動(dòng)脈沖調(diào)制電路一種電路原理如圖一種電路原理如