《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》第三章電容式傳感器

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》第三章電容式傳感器第一頁(yè)，共31頁(yè)。利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量，進(jìn)而實(shí)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。可以廣泛的應(yīng)用在力、壓力、壓差、振動(dòng)、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。第二頁(yè)，共31頁(yè)。第一節(jié)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)平板電容器電容量為：ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0?εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr—極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；A—兩平行板所覆蓋的面積；d—兩平行板之間的距離。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的A，d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。這就是電容傳感器的基本工作原理。因此，電容式傳感器可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式三種類型。第三頁(yè)，共31頁(yè)。平板電容器電容量為：當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的A，d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化?；竟ぷ髟恚喝绻３制渲袃蓚€(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式三種。第一節(jié)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)第四頁(yè)，共31頁(yè)。一、變極距式電容傳感器1．變極距式電容式傳感器的工作原理原理：僅改變極距一個(gè)參數(shù)，就可把極距的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。當(dāng)保證最大位移小于間距的1/10時(shí)，電容值相對(duì)變化量為：C與Δd的關(guān)系呈近似線性關(guān)系。靈敏度為：對(duì)于一個(gè)變極距式電容傳感器，其靈敏度是與其初始極距大小和初始電容量相關(guān)的近似常數(shù)。第五頁(yè)，共31頁(yè)。2．變極距式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)（1）差動(dòng)結(jié)構(gòu)變極距式電容式傳感器1為動(dòng)片、2為定片，中間電極若受力向上位移Δd則C1容量增加，C2容量減小，推出：電容傳感器做成差動(dòng)式后之后，靈敏度提高一倍。（2）保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)變極距式電容式傳感器電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣，消除極板的邊緣效應(yīng)的影響，極板1與極板2間的場(chǎng)強(qiáng)分布變得均勻第六頁(yè)，共31頁(yè)。（3）高介電常數(shù)的變極距式電容式傳感器極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。有了云母片，極板間起始距離可大大減小。變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間，將極板間距離設(shè)定在25～200μm的范圍內(nèi)，將最大位移應(yīng)小于間距的1/10，在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣第七頁(yè)，共31頁(yè)。二、變面積式電容式傳感器

1．變面積式電容式傳感器工作原理原理：僅改變面積一個(gè)參數(shù)，就可把面積的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。分類：根據(jù)面積變化方式的不同分為：平板形變面積式電容式傳感器、旋轉(zhuǎn)形變面積式電容式傳感器、圓柱形變面積式電容式傳感器。（a）平板形變面積式電容（b）旋轉(zhuǎn)形變面積式電容（c）圓柱形變面積式電容第八頁(yè)，共31頁(yè)。（1）平板形變面積式電容式傳感器對(duì)于一個(gè)特定的平板形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)相關(guān)的常數(shù)。（2）旋轉(zhuǎn)形變面積式電容式傳感器對(duì)于一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和初始電容量相關(guān)的常數(shù)。（3）圓柱形變面積式電容式傳感器對(duì)于一個(gè)特定的圓柱形變面積式電容傳感器，其靈敏度是與其幾何結(jié)構(gòu)和初始電容量相關(guān)的常數(shù)。第九頁(yè)，共31頁(yè)。2．變面積式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)圖示是變面積式差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)，傳感器輸出和靈敏度均提高一倍。（a）平板形差動(dòng)電容；（b）旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容；（c）圓柱形差動(dòng)電容第十頁(yè)，共31頁(yè)。三、變介質(zhì)式電容式傳感器

變介質(zhì)式電容式傳感器工作原理保持面積和極距兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變介質(zhì)一個(gè)參數(shù)，就可把介質(zhì)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。這就是變介質(zhì)式電容傳感器的基本工作原理。變介質(zhì)式電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來(lái)測(cè)量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。圓柱形變介質(zhì)式電容式傳感器平板形變介質(zhì)式電容式傳感器第十一頁(yè)，共31頁(yè)。第二節(jié)電容式傳感器的特性與補(bǔ)償?shù)谑?yè)，共31頁(yè)。一、一般結(jié)構(gòu)電容傳感器

1．一般結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的靈敏度電容傳感器的靈敏度為：它說(shuō)明了單位輸入位移所引起輸出電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比關(guān)系。2．一般結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的非線性誤差結(jié)論：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。第十三頁(yè)，共31頁(yè)。二、差動(dòng)結(jié)構(gòu)電容傳感器

1．差動(dòng)結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的靈敏度在時(shí)，此時(shí)電容傳感器的在靈敏度為：2．差動(dòng)結(jié)構(gòu)變極距式平板電容傳感器的非線性誤差電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差δ近似為：結(jié)論：電容傳感器做成差動(dòng)式之后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降低了。第十四頁(yè)，共31頁(yè)。第三節(jié)電容式傳感器的測(cè)量電路第十五頁(yè)，共31頁(yè)。電容轉(zhuǎn)換電路交流電橋電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路普通交流電橋緊耦合電感臂電橋變壓器電橋第十六頁(yè)，共31頁(yè)。普通交流電橋由電容C、C。和阻抗Z、Z’組成的普通交流電橋測(cè)量電路，其中C為電容傳感器的電容，Z’為等效配接阻抗，C0和Z分別為固定電容和阻抗。這種交流電橋測(cè)量電路要求提供幅度和頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗Zi很高。為了改善電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，一般要求交流電源的頻率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的3-10倍。一、交流電橋測(cè)量電路第十七頁(yè)，共31頁(yè)。緊耦合電感臂電橋

該電路的特點(diǎn)是兩個(gè)電感臂相互為緊耦合，它的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高。

一、交流電橋測(cè)量電路第十八頁(yè)，共31頁(yè)。變壓器電橋C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容

可見，在放大器輸入阻抗極大的情況下，輸出電壓與位移成線性關(guān)系。

一、交流電橋測(cè)量電路第十九頁(yè)，共31頁(yè)。交流電橋測(cè)量電路的特點(diǎn)

①高頻交流正弦波供電；②電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③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(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；④輸出阻抗很高（幾MΩ至幾十MΩ），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。第二十頁(yè)，共31頁(yè)。二、調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。1．工作原理

調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，ΔC≠0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為：2．使用結(jié)論振蕩器輸出的高頻電壓將是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)制波，其頻率由上式?jīng)Q定。調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度，可以測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。三、運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題。但要求Zi及K足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。使用結(jié)論

原理：運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。四、二極管雙T型交流電橋2．線路特點(diǎn)①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。1．結(jié)構(gòu)e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩個(gè)二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。四、二極管雙T型交流電橋3．使用結(jié)論①當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。②該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓Ei=46V時(shí)，電容從-7～+7pF變化，可以在1MΩ負(fù)載上得到-5～+5V的直流輸出電壓。③電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)Ui幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。④電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，其值為1～100kΩ。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1kΩ的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20μs左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。第四節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。一、電容式傳感器的特點(diǎn)1．電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1）溫度穩(wěn)定性好（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)（5）所需能量小、可測(cè)微小位移2．電容傳感器的缺點(diǎn)（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差（2）寄生電容影響大（3）輸出特性非線性第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。二、電容式傳感器的應(yīng)用

1．電容式壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。2．電容式加速度傳感器主要特點(diǎn)：頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。3．差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器振蕩頻率包含了電容傳感器的間距dx的信息。各頻率值通過(guò)取樣計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字量，然后由微機(jī)進(jìn)行處理以消除非線性頻率變