第4章電容式傳感器 ppt課件

1、電容式傳感器電容式傳感器優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。和成分含量等測量之中。電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。一、一、 工作原理與類型工作原理與類型（一工作原理（一工作原理 用兩塊金屬平

2、板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容邊緣效應時，其電容C C為為 S S極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積；極板間距離；極板間距離；rr相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)；0 0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 0 8.85pF/m8.85pF/m； 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)。SSSCr0（二）（二） 類型類型三種基本類型：三種基本類型：變極距變極距( (變間隙變間隙)()()型型變面積型變面積型(S)(S)型型變介電常數(shù)變介電常數(shù)(r)(r)型型電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。位移：線位移和角

3、位移兩種。位移：線位移和角位移兩種。極板形狀：平板或圓板形和圓柱極板形狀：平板或圓板形和圓柱( (圓筒圓筒) )形形1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 圖中極板1固定不動，極板2為可動電極(動片)，當動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為21差動式結(jié)構(gòu)或采用適當?shù)臏y量電路來改善其非線性。CC0C- 特性曲線C0極距為時的初始電容量。 0CSSSC2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 ll外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r1 r1 、r2 r2 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當

4、兩圓筒相對移動當兩圓筒相對移動ll時，電容變化量時，電容變化量CC為為)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。 3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。濕度等。若忽略邊緣效應，單組式平板形厚度傳感器如下若忽略

5、邊緣效應，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與厚度的關(guān)系為圖，傳感器的電容量與厚度的關(guān)系為 x厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxabC推導上式？n若忽略邊緣效應，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度 ；:兩固定極板間的距離；x、0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板形lxn圓筒式液位傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見，傳感器電容量C與被測液

6、位高度hx成線性關(guān)系。 2 r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK例:某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存罐也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的r 2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax二

7、、二、 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路（一）（一） 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路L 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 r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0C0為傳感器本身的電容；為傳感器本身的電容；CpCp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；成的總寄生電容；RgRg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其

8、值在制造工藝上和材料選取上應保證足夠大。其值在制造工藝上和材料選取上應保證足夠大。C0CpRgLrCeReLreCe供電電源頻率為諧振頻率的1/31/2 將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂(另一個臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個二次線圈。其中另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。（二測量電路（二測量電路1 1、電橋電路、電橋電路特點：高頻交流正弦波供電；特點：高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電

9、源電壓波動極小，需采用穩(wěn)電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；幅、穩(wěn)頻等措施； 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋；自動平衡電橋； 輸出阻抗很高輸出阻抗很高( (幾幾MM至幾十至幾十M)M)，輸出電壓低，必須后，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。 2 2、二極管雙、二極管雙T T形電路形電路 電路原理如圖電路原理如圖(a)(a)。

10、供電電壓是幅值為。供電電壓是幅值為UEUE、周、周期為期為T T、占空比為、占空比為5050的方波。若將二極管理想的方波。若將二極管理想化，則當電源為正半周時，電路等效成典型的一化，則當電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，如圖階電路，如圖(b)(b)。其中二極管。其中二極管VD1VD1導通、導通、VD2VD2截截止，電容止，電容C1C1被以極其短的時間充電、其影響可不被以極其短的時間充電、其影響可不予考慮，電容予考慮，電容C2C2的電壓初始值為的電壓初始值為UEUE。根據(jù)一階。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2C2的的電流電流iC2i

11、C2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2i C1i C2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+i C1i C2iC1iC2同理，負半周時電容C1的平均電流: 在R（RRL）/（RRL）C2T/2時,電流iC2的平均值IC2可以寫成下式： 22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在負載RL上產(chǎn)生的電壓為 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL電路特點：線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的

12、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(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)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。 3 3、差動脈沖調(diào)寬電路、差動脈沖調(diào)寬電路 又稱差動脈寬又稱差動脈寬( (脈沖寬度脈沖寬度) )調(diào)制電路調(diào)制電路 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應被測量變化的直流信號。器得到對應被測量變化的直流信號。 右圖為差動脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個

13、為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器V D1V D2A1A2ABR1C1C2u ABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路GtuAuAuBuBu ABu ABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖U04 4、 運算放大器式電路運算放大器式電路 其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖器的非線性。其原理如圖將將Cx = Cx = 代入上式得代入上式得 -AuoC

14、Cxu運算放大器式 電路原理圖負號表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0三、三、 主要性能、特點和設(shè)計要點主要性能、特點和設(shè)計要點（一）（一） 主要性能主要性能1 1、 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜

15、態(tài)靈敏度態(tài)靈敏度kgkg為為 可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還隨被測量而變化。減小隨被測量而變化。減小可以提高靈敏度。但可以提高靈敏度。但過小易導致電容器擊穿空氣的擊穿電壓為過小易導致電容器擊穿空氣的擊穿電壓為3kV3kVmmmm）?？稍跇O間加一層云母片其擊穿電壓大）?？稍跇O間加一層云母片其擊穿電壓大于于 103kV/mm 103kV/mm或塑料膜來改善電容器耐壓性能?；蛩芰夏砀纳齐娙萜髂蛪盒阅堋?/110CCKg 43201CKg r2與r1越接近，靈敏度越高。內(nèi)外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應將影響到傳感器的線性。

16、另外，變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動結(jié)構(gòu)形式來提高靜態(tài)靈敏度，一般提高一倍。例如，對變面積型差動式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為 120/ln2rrlClCkg對于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為121212/ln4/ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg 顯然，輸出電容顯然，輸出電容CC與被測量之間是非線性關(guān)系。與被測量之間是非線性關(guān)系。 只有當只有當(/1(/1時，略去各非線性項后才能得到近似線性關(guān)系為時，略去各非線性項后才能得到近似線性關(guān)系為C CC0(/)C0(/)。由于。由于 取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變

17、極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)1cm1cm至零點幾至零點幾mmmm），），而且而且最大應小于極板間距最大應小于極板間距 的的1/51/51/101/10。/1100CCC 2 2、非線性、非線性 對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化時，其電容量的變化：時，其電容量的變化：3201CC可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(C) ，那么被測量就與XC成線性關(guān)系，不需要滿足 這一要求了。在忽略邊緣效應時，變面積型和變介電常數(shù)型測厚除外電容式傳感器具有很好的

18、線性，但實際上由于邊緣效應引起極板或極筒間電場分布不均勻，導致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。 采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量C42012CC優(yōu)點：1溫度穩(wěn)定性好 2結(jié)構(gòu)簡單，適應性強3動態(tài)響應好4可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應缺乏：1輸出阻抗高，負載能力差2寄生電容影響大3、輸出特性非線性（二）（二） 特點特點1 1保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能2 2消除和減小邊緣效應消除和減小邊緣效應3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響（1 1增加傳感器原始電容值增加傳感器原始電容值（2 2注意傳感器的接地和屏蔽注意傳感器的接地和屏蔽（3 3集成化集成化（4 4采用采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”(”(雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5采用運算放大器法采用運算放大器法（6 6整體屏蔽法整體屏蔽法（三）（三） 設(shè)計要點設(shè)計要點四、應用四、應用n壓力測量：差壓傳感