第3章電容式傳感器

1、第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-1 概述概述 3-2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 3-1 概述概述一、電容傳感器的工作原理 平板電容器的電容量，在忽略邊緣效應(yīng)時，有: 式中: A為兩極板間的有效覆蓋面積； d 為兩極板間的距離； 為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； 概述概述一、電容傳感器的工作原理 r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)； 0為真空的介電常數(shù) 從電容量表達式可看出：電容量與覆蓋面積成正比，與相對介電常數(shù)成正比，與兩極板間距成反比。因此，通過改變復(fù)蓋面積或相對介電常數(shù)或極板間距，都可以引起電容量的相對變化，這是電容傳感器的基本工

2、作原理。 概概 述述二、典型的電容傳感器 、變面積（、變面積（A A）型型改變兩極板間的有效覆蓋面積來獲得電容量的變化。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型、角位移式 電容量與角位移成線性關(guān)系。靈敏度，增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型、直線位移式 靈敏度 ，增大初始電容C0 可以提高靈敏度K。 二、典型的電容傳感器1、變面積（A）型（3）圓柱直線位移式 靈敏度 ，增大初始電容 C0 可以提高靈敏度K。 概概 述述二、典型的電容傳感器、變介質(zhì)介電常數(shù)、變介質(zhì)介電常數(shù)()() 平板式 電容量為兩個電容C0 和C1 的串聯(lián)，其值為: 二、典型的電容傳感

3、器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（） 、圓筒式兩個電容C0和C1并聯(lián)，其值為 二、典型的電容傳感器2、變介質(zhì)介電常數(shù)（）可見，傳感器電容量與液位高度 h1 成線性關(guān)系。物質(zhì)名稱物質(zhì)名稱 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)r r 物質(zhì)名稱物質(zhì)名稱 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)r r 水 80 玻璃 3.7 甲醇 37 瀝青 2.7 乙醇 2025 砂 35 鹽 6 空氣及其它氣體 11.2 紙 2二、典型的電容傳感器、變極板間距（、變極板間距（d d）型型 二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型 當(dāng)間距 d0 減少 d 時，電容量為其中，得相對變化值為 二、典型的電容傳感器、變極板間距（d）型當(dāng)d d0 時，將上式展開

4、為級數(shù)，并略去二階以上的高階項后，得 即 近似為線性關(guān)系。為了得到較好的線性關(guān)系，一般取d/d00.020.1。靈敏度 3-1 概述概述三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系由前所述，電容傳感器的工作原理是通過改變電容的幾何參數(shù)或介質(zhì)參數(shù)來實現(xiàn)的，而電容與電流、電壓間有如下關(guān)系電流電壓 式中，UC 為極板上的電壓；IC 為通過電容中的電流；f 為激勵源頻率。概概 述述三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 從以上諸式可看出，電容傳感器的變換函數(shù)可以是 Cx 形式，也可以是 1/Cx形式，取決于激勵源變量的選取。n 1、恒電流激勵n 2、恒電壓激勵 三、激勵源性質(zhì)

5、與傳感器特性之間的關(guān)系 1、恒電流激勵 保持交流激勵源的電流恒定，即電流與電容變化 Cx 無關(guān)三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 1、恒電流激勵 恒電流激勵時的輸出電壓為 在恒電流激勵時，要求負載不消耗電流，這就需要負荷阻抗為無窮大，所以恒電流激勵時要求檢測線路為高阻抗輸入。 三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 2、恒電壓激勵激勵源保持電容器上的交流電壓有效值恒定，輸出變量為電流，此時電流的大小隨電容的變化而變化。 三、激勵源性質(zhì)與傳感器特性之間的關(guān)系 2、恒電壓激勵nIC 與或與 A 則為單值線性關(guān)系，因此恒電壓激勵適于變面積和變型電容傳感器。n在實際中恒電壓激勵較為常用。 3-1 概述

6、概述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu) 由于差動式結(jié)構(gòu)具有較強的抗干擾能力，誤差小，靈敏度高等特點，所以電容式傳感器常常采用差動式結(jié)構(gòu)。概概 述述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu) 恒壓激勵差動電容傳感器變間距型，其電容量分別為 概概 述述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu)按級數(shù)展開當(dāng)采用恒壓激勵差動輸出時，有 概概 述述四、電容傳感器的差動式結(jié)構(gòu) 忽略高階項后，得 即電容量的相對變化與間距的相對變化近似為線性關(guān)系。 非線性誤差： 可見，采用差動結(jié)構(gòu)時，靈敏度提高倍，誤差小一個數(shù)量級。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-1 概述概述 3-2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 3-3 電容式傳感器

7、的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-2電容式傳感器的測量電路 一、等效電路電容傳感器主要由極板、引線和負載等組成，其等效電路可以用RLC電路來等效。 3-2 電容式傳感器的測量電路一、等效電路圖中：nC 為傳感器電容；n RP 為等效并聯(lián)電阻（包括極板間的直流電阻、氣隙中的介質(zhì)損耗）；n RS 為等效串聯(lián)電阻（包括引線電阻、極板電阻等）；n L 等效串聯(lián)電感（各連線的電感）；3-2 電容式傳感器的測量電路一、等效電路等效阻抗：等效電容： 式中，f0為電路諧振頻率（截止頻率）；激勵電源的圓頻率。 3-2 電容式傳感器的測量電路一、等效電路在測量中電容的實際相對變

8、化量為 由于，所以實際相對靈敏度比理論值小，上式表明：電容傳感器的標(biāo)定和測量必須在同樣的條件下進行，以保證和 L 不變。3-2 電容式傳感器的測量電路二、測量電路電容傳感器的電容量一般都很小，只有幾PF 到幾十PF，必須借助測量電路提供能量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率后才能有信號輸出，所以電容傳感器屬能量控制型傳感器。其測量電路主要由兩部分組成：（1）將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。（2）對交流輸出信號進行放大，相敏檢波和低通濾波，獲得相應(yīng)的直流輸出。 電容式傳感器的測量電路二、測量電路、差動變壓器電橋（交流不平衡電橋）、差動變壓器電橋（交流不平衡電橋）是電容傳感器最基本、最常用的測量

9、電路。 電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動變壓器電橋等效電路:橋的初始平衡條件: 電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動變壓器電橋、橋的輸出電壓設(shè)傳感器的阻抗變化為Z，則橋的輸出電壓為 將橋的平衡條件 代入，并消去 整理得 電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動變壓器電橋令 ，為傳感器阻抗相對變化值， ，稱為橋臂比, ，稱為橋臂系數(shù)。則輸出電壓表達式可簡化為 電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動變壓器電橋 其中，k 稱為電壓靈敏度系數(shù)。橋臂系數(shù) K 是一復(fù)數(shù)，其模和相角分別為 其中， 1 和2 分別為兩橋臂的幅角。電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動變壓器電橋常用的結(jié)構(gòu)有兩種

10、：（1）取 ，輸出為： ；（2）取 ，輸出為： ， 若采用差動結(jié)構(gòu)，則 。 上述各種電橋的輸出電壓是在輸出端開路的情況下得到的（即負載阻抗為無窮大）。有負載時，輸出略有減少。電容式傳感器的測量電路二、測量電路2 2、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路 將電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容發(fā)生變化時，振蕩頻率發(fā)生變化，將這種頻率變化在鑒頻器中變換為幅度變化，然后放大輸出。電容式傳感器的測量電路二、測量電路-調(diào)頻電路振蕩頻率： 其中，L 為振蕩回路的電感； C 為回路總電容； C1 為回路的固有電容； C2 為引線的分布電容； C0C 為傳感器電容。電容式傳感器的測量電路二、測量電路3 3、諧振

11、回路、諧振回路 將電容傳感器作為調(diào)節(jié)器諧振電容接入振蕩回路，當(dāng)電容改變時，引起諧振回阻抗的變化，從而由振蕩器獲取的能量發(fā)生變化，該變化通過整流、放大后輸出。 電容式傳感器的測量電路二、測量電路4 4、運算放大器式電路、運算放大器式電路 輸出： 由于 有 ，對變極距式輸出輸入為線性關(guān)系。 對于變面積式，交換 與 有0C電容式傳感器的測量電路二、測量電路-二極管檢波電路 5、雙T二極管交流電橋工作原理 正半周，D1通，D2止，RL 支路中有兩個電流，一是由外加電源產(chǎn)生的，另一個是C2 的放電電流；負半周，D1止，D2通，RL 支路中有兩個電流，一是由外加電源產(chǎn)生的，另一個是C1 的放電電流； 電容

12、式傳感器的測量電路二、測量電路-二極管檢波電路 電容放電電流分別為 其中，T為電源的變化周期。 則在 RL 上產(chǎn)生的平均電壓降（輸出電壓）為 電容式傳感器的測量電路二、測量電路-二極管檢波電路 【結(jié)論】 從上式可以看出，其輸出電壓不僅與電源電壓UE 的幅度有關(guān)，而且與電源的頻率有關(guān)，因此采用此種電路除了要求穩(wěn)壓外，還須穩(wěn)頻。電容式傳感器的測量電路二、測量電路 6 6、差動脈沖寬度調(diào)制電路、差動脈沖寬度調(diào)制電路由比較器A1、A2 、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動脈沖寬度調(diào)制電路工作原理：（1）A點高電位、B點低電位時：A點通過R對 C1充電，直至M點電

13、位等于參考電壓Uf ； 此時，比較器A1產(chǎn)生一個脈沖，使觸發(fā) 器翻轉(zhuǎn)，A點呈低電位，M點電位經(jīng)二極 管D1迅速放電為零。（2）B點重復(fù)A點過程。（3）周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端A、 B兩點各自產(chǎn)生一個寬度受C1、C2調(diào)制的 方波脈沖。電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動脈沖寬度調(diào)制電路路電容式傳感器的測量電路二、測量電路-差動脈沖寬度調(diào)制電路 當(dāng)取兩個R值相等時，則輸出的直流電壓為 其中，Uf 為觸發(fā)器的高電平。 可以看出，不論是變間隙差動傳感器還是變面積差動傳感器輸出也都是線性的。3-2 電容式傳感器的測量電路三、電容式傳感器的誤差、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響溫度

14、誤差主要是由于構(gòu)成傳感器的材料不同而引起的，因材料的溫度膨脹系數(shù)不同，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，傳感器各零件的幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。為減小為種誤差一般盡量選用溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的材料。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差2 2、溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響傳感器的電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，因此若介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，就必然要引起傳感器電容值的改變，從而造成溫度附加誤差?？諝饧霸颇附殡姵?shù)的溫度系數(shù)可認為等于零。硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必須注意由此而引起的誤差。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差3 3、漏電阻的影響漏電阻的影響

15、電容傳感器的容抗都很高。當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與此容抗相近，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響，它將使為敏度下降。選取絕緣性能好的材料作兩極板間支架。如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差3 3、電容電場的邊緣效應(yīng)電容電場的邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個附加電容。改善措施：加防護環(huán)(電極)。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差4 4、寄生分布電容的影響、寄生分布電容的影響n、屏蔽線分布電容的影響，屏蔽線每米的分布電容一般在幾十到幾百PF之間，過長的屏蔽線，其分布電容可能高于傳感器電容；n、電纜電容由于放置位置和形狀的不同而有較大的變化。

16、電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差消除和減小寄生電容影響的方法（1）縮短傳感器至測量線路前置級將集成電路、超小型電容應(yīng)用于測量電路可使得部分部件與傳感器做成一體，這既可減小寄生電容值，又可使寄生電容值固定不變。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差(2)驅(qū)動電纜法是一種等電位屏蔽法。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差(3)整體屏蔽法將整個橋體用一個統(tǒng)一的屏蔽保護起來。電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的誤差5 5、增加原始電容值、減小寄生電容和漏電的增加原始電容值、減小寄生電容和漏電的影響影響電容式傳感器一般原始電容值很小，只有幾個到幾十個微法，容易被干擾所淹沒。

17、第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3-1 概述概述 3-2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 3-3 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 1 1、電容式測差傳感器、電容式測差傳感器 測量氣體或液體的壓力。 3-3 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 2 2、電容式測微儀、電容式測微儀 是一種非接觸方式高靈敏度的微位移和振動振幅測量儀。 量程為：0.01100m3-3 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 n為了減小圓柱探頭的邊緣效應(yīng)，一般在探頭外面再加一個等電位環(huán)，參見圖。3-3 3-3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用3 3、電容式液位計、電容式液位計浸入液體中的導(dǎo)線以絕緣層為