第二章電容式2

1、3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點和設計要點3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測量電路3.3.6 電容式傳感器的應用3.3.7 容柵式傳感器上一頁下一頁返 回1. 工作原理及類型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器上一頁返 回下一頁三種類型三種類型0 rSSCdd S 極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積； d 極板間距離；極板間距離； r相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)，；真空介電常數(shù)，； 電容極板間介質的介電常數(shù)。電容極板間介質的介電常數(shù)。 S上一頁返 回

2、下一頁變極距變極距( (d）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(s)(s)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) 、(h) 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: (i)(l) 00rsCd 0001rsCCCCdddd 非線性關系非線性關系 若若 d/d 103kv/mm)或塑料膜來改善耐壓性能或塑料膜來改善耐壓性能 另：差動結構也可提高靈敏度另：差動結構也可提高靈敏度000011/()1/gCCCCCCd dkddddd d baa0SabCdd 0aa bababaCCddda 0gCCbkaad b d kg減小減小d（加云母片），增大加云母片），增大b，采用差動結構可提高靈敏

3、度，采用差動結構可提高靈敏度上一頁返 回下一頁 011/dCCddd /1d d 展開成泰勒級數(shù)展開成泰勒級數(shù)2301ddddCCdddd /1d d 0(/)CCd dd 取值不能大，否則將降低靈敏度取值不能大，否則將降低靈敏度 11()0.01 0.9105ddmm m d 采用采用差動形式差動形式，并取兩電容之差為輸出量，并取兩電容之差為輸出量 24021dddCCddd 差動式的差動式的非線性非線性得到了很大的改善，得到了很大的改善，靈敏度靈敏度也提高了一倍也提高了一倍 上一頁返 回下一頁1. 特 點2. 設計要點上一頁返 回下一頁自學自學 優(yōu)點:1. 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料

4、無關本身發(fā)熱極小 ）2. 結構簡單、適應性強 3. 動態(tài)響應好 4. 可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應上一頁返 回下一頁 極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移 可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。 介質損耗小，可以用較高頻率供電系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。返 回1、輸出阻抗高、負載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采

5、用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106108。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響 2、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度 上一頁返 回下一頁 (1). 減小環(huán)境溫度濕度等變化所產生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 (2). 消除和減小邊緣效應 (3).消除和減小寄生電容的影響，防止 和減少外界干擾 (4) 盡可能采用差動式電容傳感器 上一頁返 回下一頁 ：溫度系數(shù)低的鐵鎳

6、合金、陶瓷或石英上 噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應） ：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架 ：空氣或云母 （介電常數(shù)溫度系數(shù)近為介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0） 傳感器密封，用以防塵、防潮 采用、測量電路來減小溫度等誤差 上一頁返 回下一頁 危害：靈敏度降低 產生非線性 減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大易產生擊穿并有可能限制測量范圍 上一頁返 回下一頁邊 緣 電 場均 勻 電 場33211、2 電極電極 3等位環(huán)等位環(huán)邊緣效應引起的非線性與變極距型傳感器原理上非線性恰好相反，邊緣效應引起的非線性

7、與變極距型傳感器原理上非線性恰好相反，因此在一定程度上起了補償作用，但傳感器靈敏度同時下降因此在一定程度上起了補償作用，但傳感器靈敏度同時下降 上一頁返 回下一頁（a）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導線間分布電容有靜電感應，因此導線和導線要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點接地，避免多點接地 上一頁返 回下一頁減小非線性誤差提高傳感器靈敏度減小寄生電容的影響溫度、濕度等環(huán)境因素的影響上一頁返 回上一頁返 回下一頁L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和

8、金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質損耗極板間的漏電損耗和介質損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質損耗上一頁返 回下一頁rC0CPRgL 傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略 等效電容Ce=C0+Cp， 等效電阻ReRg 上一頁返 回下一頁CeRg 電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中Ce=C0+Cp，

9、而rer 上一頁返 回下一頁reCeL11ej LRj Cj C 21eCCLC 由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此時電容傳感器的等效靈敏度為此時電容傳感器的等效靈敏度為 2222/(1)(1)geekCCLCkddLC 當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)樽優(yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨變化而變化。變化

10、而變化。 上一頁返 回下一頁(1) 調頻電路(2) 運算放大器電路(3) 雙T型電橋電路(4) 脈寬調制電路上一頁返 回下一頁把電容變化轉化為電量輸出把電容變化轉化為電量輸出101122()ifLCL CCCC 當被測信號為零時，當被測信號為零時，C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，01012()ifL CCC 當被測信號不為零時，當被測信號不為零時，c0，此時頻率為，此時頻率為 01012()ifffL CCCC 具有較高的靈敏度，可測至具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強易于用數(shù)字儀器測量，并

11、與計算機通訊，抗干擾能力強 上一頁返 回下一頁：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 上一頁返 回下一頁uC-ACxu0+01/()1/()xxj CCuuuj CC ( )/xCSd 0 CduuS 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁充放電電路充放電電路二極管開關二極管開關正半周正半周D1導通導通C1充電，充電， C2放電放電負半周負半周D2導通導通C2充電，充電，C1放電放電當當C1= C2時，放電電流時，放電電流相等相等輸出電壓平均值為零輸出電壓平均值為零當當C1 C2時，放電電時，放電電流不同流不同輸出電壓

12、平均值不為零輸出電壓平均值不為零U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL若二極管理想化，當電源為正半周時，電路等效成一階電路若二極管理想化，當電源為正半周時，電路等效成一階電路上一頁返 回下一頁UE RRRULLEiC2C2U0RRLR供電電壓是幅值為供電電壓是幅值為UE、周期為、周期為T、占空比為、占空比為50%的方波的方波可直接得到電容可直接得到電容C2的電流的電流iC2如下如下: 22222002111ddTLCCCELRRIititU CTTT R R 上一頁返 回下一頁22LLtLRREERCR RLCLLRUURRieRRRRR 在在 R+(RRL)/(R+RL) C2T/2時

13、，電流時，電流iC2的平均值的平均值IC2可以寫可以寫成成 故在負載故在負載RL上產生的電壓為上產生的電壓為 012122(2)()()()LLLECCLLRRRR RR UUIICCR RR RT 同理，可得負半周時電容同理，可得負半周時電容C1的平均電流的平均電流IC1為為 1121 LCELRRIU CTRR 上一頁返 回下一頁線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器 。 上一頁返 回下一頁 對傳感器電容充

14、放電, 使輸出脈沖的寬度隨電容量而變化 利用低通濾波器得到與被測量變化相關的直流信號 上一頁返 回下一頁二極管放電二極管放電RC充電充電QBQD2D1ARRFGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器比較器比較器比較器比較器+RS低低通通UOC上電壓充至上電壓充至Ur時，比較器輸出跳變，觸發(fā)器翻轉。時，比較器輸出跳變，觸發(fā)器翻轉。C變大，充電時間常數(shù)變大，變大，充電時間常數(shù)變大， 充至充至Ur所需要的時間變長，對應的所需要的時間變長，對應的輸出脈沖變寬。輸出脈沖變寬。ABABuuu上一頁返 回下一頁uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為為 121

15、20111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTT 式中式中UA、UBA點和點和B點的矩形脈沖的直流分量；點的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為分別為C1和和C2的充電時間；的充電時間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。觸發(fā)器輸出的高電位。上一頁返 回下一頁C1、C2的充電時間的充電時間11111lnrUTR CUU 12221lnrUTR CUU 式中式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓觸發(fā)器的參考電壓 設設R1=R2=R，則得，則得 12012rCCUUCC ：上一頁返 回下一頁設電容設電容C1和和C2的極間距離和面積分別為的極間距離和面積分別為d1、d2和和S1、S2 差動變極距型差動變極距

16、型差動變面積型差動變面積型 21021rddUUdd 12021rSSUUSS 差動脈沖調寬電路能適用于任何差動脈沖調寬電路能適用于任何 差動式電容式傳感器差動式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性并具有理論上的線性特性 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求不需要相敏檢波與解調等,但需低通濾波器對元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對輸出矩形波的純度要求也不高 上一頁返 回下一頁(1) 電容式壓差傳感器(2) 電容式加速度傳感器(3) 電容式振動位移傳感器上一頁返 回下一頁 差動結構、靈敏度高、響應速度快差動結構、靈敏度高、響應速度

17、快(約約100ms)能測微小壓差能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對壓力、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側密封并抽成高真空需把膜片的一側密封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁P2玻璃盤玻璃盤鍍金層鍍金層金屬金屬膜片膜片C2電極引線電極引線p1C1（定極板）（定極板）（動極板）（動極板）231B面面A面面546Cx1Cx21、5 固定極板固定極板 2殼體殼體 3簧片簧片 4 質量塊質量塊 6 絕緣體絕緣體 殼體加速運動時，質量塊受力產生振蕩，電容發(fā)生變化。殼體加速運動時，質量塊受力產生振蕩，電容發(fā)生變化。精度較高，頻率范圍寬，量程大。精度較高，頻率

18、范圍寬，量程大。 a)a)測振幅測振幅被測物被測物振動振動電容式電容式傳感器傳感器b)b)測軸心偏擺測軸心偏擺被測金屬軸被測金屬軸電容式電容式傳感器傳感器電荷平衡式位移傳感器電荷平衡式位移傳感器 0RMMRV CV CMRMRCVVC 可變電壓可變電壓VM與測頭的位置成比例與測頭的位置成比例 已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應用。已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應用。上一頁返 回下一頁(1) 基本類型及工作原理(2) 容柵傳感器電極的結構形式(3) 信號處理方式(4) 容柵式傳感器應用上一頁返 回下一頁l長容柵長容柵l圓容柵圓容柵片狀片狀柱狀柱狀上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回

19、m axabCn n動尺柵級片數(shù)動尺柵級片數(shù) a , b柵極片長度和寬度柵極片長度和寬度上一頁下一頁返 回CCmax0aW3a2Wx 2221max2a rrCn r2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內半徑圓盤柵極片外半徑和內半徑 a 每條柵極片對應的圓心角（每條柵極片對應的圓心角（rad）上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回（a）直電極反射式（b）直電極透射式（c）反射式L型電極上一頁返 回下一頁上一頁下一頁返 回結構形式簡單，使用方便，結構形式簡單，使用方便，移動過程中，導軌的誤差對測量精度影響較大移動過程中，導軌的誤差對測量精度影響較大 上一頁下一頁返 回測量調整方便、安裝誤差和運行誤差的影響降低、制造安裝困難測量調整方便、安裝誤差和運行誤差的影響降低、制造安裝困難 上一頁下一頁返 回增大反射電極的面積，增加耦合的電容量，增大反射電極的面積，增加耦合的電容量，提高傳感器的靈敏度，增強抗干擾能力和提高穩(wěn)定性提高傳感器的靈敏度，增強抗干擾能力和提高穩(wěn)定性 鑒幅式測量電路系統(tǒng)可達到0.001mm分辨力，主要在測長儀上使用， 鑒相式測量電路系統(tǒng)分辨力為0.01mm，主要在電子數(shù)字顯示卡尺等數(shù)顯量具上使用。 上一頁返 回下一頁12()()0mAmBUU