第二章電容傳感器(2)

1、天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院 主講主講 王紅一王紅一內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體式應(yīng)變片半導(dǎo)體式應(yīng)變片SLR形變導(dǎo)致電阻變化起主導(dǎo)作用，形變導(dǎo)致電阻變化起主導(dǎo)作用，電阻率變化很小可忽略。電阻率變化很小可忽略。性能穩(wěn)定，精確度高，變形量性能穩(wěn)定，精確度高，變形量偏大，線性度好。偏大，線性度好。靈敏度系數(shù)較?。`敏度系數(shù)較小（2.42.6），）

2、，對粘貼工藝要求嚴(yán)格。對粘貼工藝要求嚴(yán)格。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率變化起主要半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率變化起主要作用，形變可忽略。作用，形變可忽略。靈敏系數(shù)大，彈性元件與應(yīng)變電靈敏系數(shù)大，彈性元件與應(yīng)變電阻集成一體。阻集成一體。電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)大、電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)大、非線性大和分散性大。非線性大和分散性大。內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧2. 電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路（1 1）直流電橋平衡條件）直流電橋平衡條件（2 2）輸出靈敏度）輸出靈敏度（3 3）溫度補(bǔ)償）溫度補(bǔ)償1012REURERRnnU11201110RREU第二章第二章 電阻應(yīng)變式與電容式傳感器電阻應(yīng)變式與電容式傳感

3、器2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.2 電容式傳感器電容式傳感器2.2.1 電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)2.2.2 電容式傳感器的電容式傳感器的工作原理工作原理2.1.3 電容式傳感器的電容式傳感器的測量電路測量電路2.1.4 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用2.2 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器（電容式傳感器（capacity transducer/sensor）是以）是以電容電容器器作為傳感元件，作為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容的變化量將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容的變化量，再經(jīng)轉(zhuǎn)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等信號輸出的測量裝置。它不換電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流

4、或頻率等信號輸出的測量裝置。它不但廣泛應(yīng)用于但廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量，等機(jī)械量的精密測量，而且可以用于而且可以用于壓力、壓差、液位、成分含量壓力、壓差、液位、成分含量等方面的測量。等方面的測量。2.2.1 電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l 精度可達(dá)精度可達(dá)0.075。l 靈敏度高：利于微壓測量。靈敏度高：利于微壓測量。l 動態(tài)響應(yīng)好：適合動態(tài)信號測量。動態(tài)響應(yīng)好：適合動態(tài)信號測量。l C/C相對變化量大：相對變化量大：3050 輸出信號大、抗干擾能力強(qiáng)。輸出信號大、抗干擾能力強(qiáng)。l 結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性優(yōu)良。

5、結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性優(yōu)良。l 抗過載能力強(qiáng)，過載消除后可恢復(fù)正常工作。抗過載能力強(qiáng)，過載消除后可恢復(fù)正常工作。l非接觸式測量。非接觸式測量。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：l 安裝方位有影響；安裝方位有影響；l 存在分布電容的影響；存在分布電容的影響；l 測量膜片工作特性存在非線性。測量膜片工作特性存在非線性。l 制造難度大：（微位移：制造難度大：（微位移：0.1mm），加工精度要求高。），加工精度要求高。l 開環(huán)開環(huán) 誤差按誤差按1：1 傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差傳遞。膜片微小蠕變、測量電路誤差 影響影響整機(jī)性能。整機(jī)性能。2.2.2 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 平板電容式

6、傳感器由兩個(gè)金屬極板，中平板電容式傳感器由兩個(gè)金屬極板，中間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成。在不考慮邊緣效應(yīng)的間夾一層電介質(zhì)構(gòu)成。在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，其電容量為：情況下，其電容量為：0rAACdd （2-34）A 為電容兩平行板所遮蓋的面積；為電容兩平行板所遮蓋的面積； 為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；）； 是極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；是極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)； 是自由空間（真空）介電常數(shù)是自由空間（真空）介電常數(shù), ;d 為兩平行板間距離為兩平行板間距離(m)r1208.854 10F/m0 由式由式 (2-34) 可知，當(dāng)可知，當(dāng) A 、 和和 d 三個(gè)變量發(fā)生變化時(shí)，三個(gè)

7、變量發(fā)生變化時(shí)，電容量電容量C將隨之發(fā)生變化。通常情況下保持其中兩個(gè)變量不變，將隨之發(fā)生變化。通常情況下保持其中兩個(gè)變量不變，只改變另一個(gè)變量，然后把其變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通只改變另一個(gè)變量，然后把其變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過測量電路將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。據(jù)此，電容式傳感器分為過測量電路將其轉(zhuǎn)換成電量輸出。據(jù)此，電容式傳感器分為三種：三種：變極距型電容式傳感器、變面積型電容式傳感器和變變極距型電容式傳感器、變面積型電容式傳感器和變介質(zhì)型電容式傳感器。介質(zhì)型電容式傳感器。 0rAACdd （2-34）r2.2.2 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 如果極板間的距離變化很小，如果極

8、板間的距離變化很小， ，將上式，將上式 按泰勒級數(shù)按泰勒級數(shù)展開展開 當(dāng)電容式傳感器的介電常數(shù)和面積不變，極板間距離初始值當(dāng)電容式傳感器的介電常數(shù)和面積不變，極板間距離初始值為為 ，縮小了，縮小了 ，則其初始電容，則其初始電容 和改變后電容和改變后電容 分別為：分別為： 0dd0C1C00ACd100000111AACCddddddd01d d23100001dddCCddd 由此可見，這時(shí)由此可見，這時(shí) 和和 近似呈線性關(guān)系，所以改變極近似呈線性關(guān)系，所以改變極板距離的電容式傳感器往往設(shè)計(jì)成板距離的電容式傳感器往往設(shè)計(jì)成 在極小范圍內(nèi)變化。在極小范圍內(nèi)變化。1Cdd（當(dāng)中間極板移動當(dāng)中間極板

9、移動 后：后：d1000001111AACCddddddd 2000001111AACCddddddd 忽略高次的非線性項(xiàng)：忽略高次的非線性項(xiàng)：1000001ddCCCCdd 若位移量若位移量 很小，且很小，且 ，則電容總的變化，則電容總的變化量量 ，按泰勒級數(shù)展開為：，按泰勒級數(shù)展開為： d10dd12-CC C 35120000-2dddCCCCddd24000021CdddCddd 電容量的相對變化為：電容量的相對變化為：02CdCd電容的變化量與位移近似呈線性關(guān)系電容的變化量與位移近似呈線性關(guān)系差動式電容傳感器與單一變極距式對比：差動式電容傳感器與單一變極距式對比：非線性誤差非線性誤差

10、靈敏度靈敏度 輸出輸出差差動動式式單單一一變變極極距距320002100%100%2dddddd20100100%100%dddddd0200CCAKddd020022CCAKddd02CdCdddCC差動式電容傳感器的輸出量、靈敏度均提高了一倍，差動式電容傳感器的輸出量、靈敏度均提高了一倍，非線性誤差減小。非線性誤差減小。 常見的類型有常見的類型有平板式直線位移電容傳感器、圓柱式直線位移平板式直線位移電容傳感器、圓柱式直線位移電容傳感器和角位移式電容傳感器電容傳感器和角位移式電容傳感器三種。三種。000blClCda 隨著板的移動，覆蓋面積變化，電容量隨著板的移動，覆蓋面積變化，電容量也隨之

11、變化。忽略其邊緣效應(yīng)，則電容的變也隨之變化。忽略其邊緣效應(yīng)，則電容的變化量為：化量為：其靈敏度系數(shù)為：其靈敏度系數(shù)為：0CbKld常數(shù)外圓筒內(nèi)作上下直線運(yùn)動，外圓柱筒與內(nèi)圓外圓筒內(nèi)作上下直線運(yùn)動，外圓柱筒與內(nèi)圓柱筒重疊部分長度為柱筒重疊部分長度為 。忽略邊緣效應(yīng)，其。忽略邊緣效應(yīng)，其電容的變化量為：電容的變化量為：0h002lnllCCRhr其靈敏度系數(shù)為：其靈敏度系數(shù)為：2lnCKRlr常數(shù)兩半圓重合時(shí)的初始電容值為：兩半圓重合時(shí)的初始電容值為：20002ArCdd 定極板轉(zhuǎn)過定極板轉(zhuǎn)過 時(shí)，電容的變化量為：時(shí)，電容的變化量為： 0CC其靈敏度系數(shù)為：其靈敏度系數(shù)為：0CCK常數(shù) 綜上所述，

12、變面積型電容傳感器不論被測量是線位移還是角綜上所述，變面積型電容傳感器不論被測量是線位移還是角位移，忽略邊緣效應(yīng)后，位移與輸出電容都為線性關(guān)系，傳感器位移，忽略邊緣效應(yīng)后，位移與輸出電容都為線性關(guān)系，傳感器靈敏度系數(shù)為常數(shù)。靈敏度系數(shù)為常數(shù)。0 xx0SCd0 x0 x00()bab laCdd0022lnlnhHCRRrr0022lnlnhHCRRrrla2.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容變化后，必須采用測電容式傳感器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容變化后，必須采用測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。（

13、1）緊耦合電感電橋）緊耦合電感電橋1)1(2)(21)(2)(222220CCLCCLCCLCCLUU若若 很小，則：很小，則：C124220LCCLUU緊耦合電感電橋抗干擾能力好，穩(wěn)定性高，目前已廣泛應(yīng)用于緊耦合電感電橋抗干擾能力好，穩(wěn)定性高，目前已廣泛應(yīng)用于電容式傳感器中。同時(shí)，也很適合較高載波頻率的電感式和電電容式傳感器中。同時(shí)，也很適合較高載波頻率的電感式和電阻式傳感器使用。阻式傳感器使用。2.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路（2）變壓器式交流電橋）變壓器式交流電橋i2i12i012121j1122jjUCUCC UUCCCC1ACdd2ACdd 又：又：i02Ud

14、Ud可以看出，在放大器輸入阻抗極大的情可以看出，在放大器輸入阻抗極大的情況下，輸出電壓與被測量呈線性關(guān)系，況下，輸出電壓與被測量呈線性關(guān)系，因此，這種電路又稱為調(diào)幅電路。因此，這種電路又稱為調(diào)幅電路。2.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路（3）二極管雙）二極管雙T形交流電橋形交流電橋0LLUI R L12LL1220L21dTR RRItItt RR E f CCTRR I1， I2 分別為電源電壓負(fù)、正分別為電源電壓負(fù)、正半周時(shí)，半周時(shí)， 負(fù)載負(fù)載RL上流過的電流。上流過的電流。 選擇特性相同的二極管，且選擇特性相同的二極管，且R1=R2，C1=C2，電流，電流 I1=I2

15、，且方，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)的流過負(fù)向相反，在一個(gè)周期內(nèi)的流過負(fù)載載 RL 的平均電流為的平均電流為0。若若C1C2, LL2L2KR RRRRR令令 ，K為常數(shù)為常數(shù) ，則，則012UK E f CC電源頻率電源頻率2.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路（4）運(yùn)算放大器電路）運(yùn)算放大器電路i0ixCUUC 若傳感器為平板電容，則若傳感器為平板電容，則i0i0CUUdA 輸出電壓與極板距離輸出電壓與極板距離 d 是線性關(guān)系是線性關(guān)系2.2.3 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路（5）調(diào)頻電路）調(diào)頻電路若電容式傳感器尚未工作時(shí)，即若電容式傳感器尚未工作時(shí)，即 ，此

16、時(shí)振蕩器的頻率，此時(shí)振蕩器的頻率為一常數(shù)為一常數(shù) f0 x0CC00012fL C當(dāng)傳感器工作時(shí)，當(dāng)傳感器工作時(shí)， ，則諧振頻率的相應(yīng)變化為，則諧振頻率的相應(yīng)變化為x0CCC 00012ffLCC 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用2.2.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用2.2.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用其工作原理是：當(dāng)被測液體的液面在電容傳感器的兩同心其工作原理是：當(dāng)被測液體的液面在電容傳感器的兩同心圓柱形電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度圓柱形電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化。發(fā)生變化。電容式壓力（差壓）變送器電容式壓力（差壓）變送器電

17、容式傳感器圖片展示電容式傳感器圖片展示陶瓷電容壓力傳感器（變送器）陶瓷電容壓力傳感器（變送器） 傳感器基底和膜片都采用陶瓷，襯底和膜片電極構(gòu)成電傳感器基底和膜片都采用陶瓷，襯底和膜片電極構(gòu)成電容，中間無傳遞液，壓力直接作用在陶瓷膜片上。其容，中間無傳遞液，壓力直接作用在陶瓷膜片上。其優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是安是安裝位置無影響，無污染，抗腐蝕性好、溫漂小、過載能力強(qiáng)，裝位置無影響，無污染，抗腐蝕性好、溫漂小、過載能力強(qiáng)，可測量低微壓力；可測量低微壓力；缺點(diǎn)缺點(diǎn)差壓傳感器制作困難。差壓傳感器制作困難。 電容式傳感器圖片展示電容式傳感器圖片展示硅電容壓力傳感器（變送器）硅電容壓力傳感器（變送器） 對稱的差動電容被

18、刻蝕到單晶硅片上，壓力使硅片彎曲，對稱的差動電容被刻蝕到單晶硅片上，壓力使硅片彎曲，電容器兩極間的距離發(fā)生了改變，傳感器的電容值相應(yīng)的也變電容器兩極間的距離發(fā)生了改變，傳感器的電容值相應(yīng)的也變了。這種傳感器了。這種傳感器兼有電容式和硅傳感器的優(yōu)點(diǎn)兼有電容式和硅傳感器的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外都是研，國內(nèi)外都是研究熱點(diǎn)，并有相關(guān)產(chǎn)品，如富士、沈陽傳感器研究所等都在研究熱點(diǎn)，并有相關(guān)產(chǎn)品，如富士、沈陽傳感器研究所等都在研究生產(chǎn)，具有很大發(fā)展前景。究生產(chǎn)，具有很大發(fā)展前景。 電容式傳感器圖片展示（了解）電容式傳感器圖片展示（了解） 有一臺變間隙非接觸式電容測微儀，其傳感器的極板半徑為有一臺變間隙非接觸式電容測微儀，其傳感器的極板半