第5章 電容式傳感器

1、 概述概述 概述概述 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器 電容式變送器電容式變送器 差壓傳感器 各種電容式傳感器各種電容式傳感器 概述概述 電容式傳感器典型應(yīng)用電容式傳感器典型應(yīng)用 硅微電容式傳感器硅微電容式傳感器 測(cè)量管道液位高度測(cè)量管道液位高度 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 v 電容式傳感器是將被測(cè)非電量變化成電容量的變化，電容式傳感器是將被測(cè)非電量變化成電容量的變化， 電容器電容器 C C 可以通過改變可以通過改變 S S 面積，面積，稱變面積型傳感器稱變面積型傳感器 距離，距離，稱變極距型傳感器稱變極距型傳感器 介質(zhì)，介質(zhì)，稱變介

2、質(zhì)型傳感器稱變介質(zhì)型傳感器 0 rs s C 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變極距型傳感器變極距型傳感器 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變面積型傳感器變面積型傳感器 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0rs s C 0 0 s C 初始電容初始電容 0 0 CCC 當(dāng)當(dāng) 減小減小 時(shí)時(shí) 電容電容 C C 增加增加 C C0 C CC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開 0 1 23 00000 1()

3、() C C 0 0 0 1 C C 電容相對(duì)變化電容相對(duì)變化 0 0 0 1 Cs C 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng) 00 1C C 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0 C C K v 傳感器靈敏度傳感器靈敏度 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（ ） 2 10 00 1()CC 2 20 00 1()CC 上靜片上靜片 下靜片下靜片 動(dòng)片動(dòng)片 5.2 電容傳

4、感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（ ） 電容的相對(duì)變化量電容的相對(duì)變化量 24 0000 21()() C C 00 2 C C 3 120 00 2()CCCC 電容的總的變化量電容的總的變化量 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 結(jié)論：結(jié)論： 差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍，差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍， 非線性誤差減?。ǘ喑朔蔷€性誤差減?。ǘ喑?因子）。因子）。 0 / 0 0 1 2 C C K 傳感器（差動(dòng)式）靈敏度傳感器（差動(dòng)式）靈敏度 2 0 ()100% L 相對(duì)非線性誤差為相對(duì)非線性誤差

5、為 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 2 2 變面積型（變面積型（S S） 平板電容：當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)平板電容：當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)X X后兩極板間電容量為：后兩極板間電容量為： 000 ()b axbx CCxCC a 0 ab C 0 Cx Ca 初始電容初始電容 電容的相對(duì)變化量電容的相對(duì)變化量 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 2 2 變面積型（變面積型（S S） 結(jié)論：結(jié)論： 變面積式電容傳感器靈敏度變面積式電容傳感器靈敏度K K為常數(shù)；為常數(shù)； 輸出特性為線性；輸出特性為線性； 適合大位移測(cè)量。適合大位移測(cè)量。 v 平板變面積型電容傳感器靈敏度平板變面積型電容傳感器靈敏

6、度 Cb K X 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數(shù)式（變介電常數(shù)式（） 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)， 電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為： 0 r s C d d r 變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測(cè)介電常數(shù)測(cè)介電常數(shù) ； 測(cè)厚度測(cè)厚度d d d 動(dòng)片動(dòng)片 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數(shù)式（變介電常數(shù)式（ ） d d為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度，為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變 可作為介電常數(shù)的測(cè)試儀器?？勺鳛榻殡姵?shù)

7、的測(cè)試儀器。 0r 0 () rr s C d d 0 1 (1) r Cd C 介電常數(shù)介電常數(shù) 保持不變，保持不變，d d改變，可作為測(cè)厚儀器。改變，可作為測(cè)厚儀器。 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數(shù)式（變介電常數(shù)式（ ） 測(cè)液位高度測(cè)液位高度 （根據(jù)液體容器的形狀計(jì)算）（根據(jù)液體容器的形狀計(jì)算） 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示 記錄，必須將電容變化記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。電流、電壓的變化。

8、電容傳感器的等效電路包括電容傳感器的等效電路包括: : 傳輸線的電感傳輸線的電感L L0 0、 、電阻 電阻R R（?。ㄐ。? ; 傳感器電容傳感器電容C C0 0 ， ，A A、B B兩端分布電容兩端分布電容CpCp，極板等效漏，極板等效漏 電阻電阻RgRg。 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)：提高電容傳感器的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)：提高電容傳感器的穩(wěn)定性， 克服寄生電容耦合，克服寄生電容耦合， n原理是：原理是： 連接電纜采用雙層屏蔽連接電纜采用雙層屏蔽 內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導(dǎo)線內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導(dǎo)線 的電位相同。從而消除的電位相同

9、。從而消除 引線與內(nèi)屏蔽之間的電引線與內(nèi)屏蔽之間的電 容。容。 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是一種驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是一種 等電位屏蔽法，（跟隨等電位屏蔽法，（跟隨 器）使傳輸電纜與內(nèi)屏器）使傳輸電纜與內(nèi)屏 蔽層等電位，消除芯線蔽層等電位，消除芯線 對(duì)內(nèi)層屏蔽層的容性漏對(duì)內(nèi)層屏蔽層的容性漏 電，從而消除寄生電容電，從而消除寄生電容 的影響。的影響。 運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 2.2.電橋電路電橋電路 電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測(cè)量系統(tǒng)。電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測(cè)量系統(tǒng)。 單

10、臂時(shí)，傳感器單臂時(shí)，傳感器C C鄰臂接一個(gè)固定電容相匹配；鄰臂接一個(gè)固定電容相匹配； 差動(dòng)式傳感器差動(dòng)式傳感器 是兩個(gè)臂。是兩個(gè)臂。 12 ,C C 12 CC 1 0 s C 2 0 s C 極板在中間位置時(shí)極板在中間位置時(shí) 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 2.2.電橋電路電橋電路 0 0 2 E U v 輸出與位移成理想線性關(guān)系輸出與位移成理想線性關(guān)系 12 0 21 2 ZZE U ZZ 12 0 21 2 CCE U CC 1 1 1 Z jc 交流電橋的輸出電壓為：交流電橋的輸出電壓為： 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 2.2.電橋電路電橋電路 交流電橋的多種形式交流電橋的多種形

11、式 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 3. 3. 二極管雙二極管雙T T型電路型電路 VE VE高頻對(duì)稱方波電源，高頻對(duì)稱方波電源， D1D1、D2D2特性相同二極管特性相同二極管 C1C1、C2C2傳感器差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)電容 R R固定電阻，固定電阻，R RL L負(fù)載。負(fù)載。 一個(gè)周期內(nèi)一個(gè)周期內(nèi)R RL L上的平上的平 均值電壓：均值電壓： 12 2 (2) () () L RL LE L R RR UR Uf cc RR 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 3. 3. 二極管雙二極管雙T T型電路型電路 雙雙T T型電路型電路工作原理分析工作原理分析 正半周正半周D1D1導(dǎo)通導(dǎo)通D2D2

12、截止截止C1C1充電；充電； 負(fù)半周負(fù)半周D1D1截止截止D2D2導(dǎo)通導(dǎo)通C2C2充電；充電； v 一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載R RL L上輸出上輸出 電壓電壓U URLRL與電源電壓與電源電壓V VE E幅值、幅值、 頻率頻率f f有關(guān)有關(guān); ;與電容的差值與電容的差值 (C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 4 4差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 波形圖波形圖 電路原理圖電路原理圖 電路分析：電路分析： 1212 0111 121212 AB TTTT UUUUUU TTTTTT 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 4 4差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路

13、 電路組成：電路組成： A1A1、A2A2比較器；比較器； 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； VD1VD1、VD2VD2與電阻；與電阻； 組成充放電回路；組成充放電回路；UfUf參考直參考直 流電壓；流電壓； 雙穩(wěn)態(tài)作輸出；雙穩(wěn)態(tài)作輸出； 電容電容C1C1、C2C2為傳感器差動(dòng)電容。為傳感器差動(dòng)電容。 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 5 5運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 Cx Cx傳感器電容傳感器電容, , Co Co固定電容固定電容 0 x s C 0 0 0 SC I UI X j c 0 x xC x I UI X j c 輸入端輸入端 輸出端輸出端 設(shè)設(shè)K為理想運(yùn)放為理想運(yùn)放 5.3

14、5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 5 5運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 u對(duì)于單極板平板電容器傳感器運(yùn)放輸出可以為：對(duì)于單極板平板電容器傳感器運(yùn)放輸出可以為： 0 0 0 S C UU s 5.3 5.3 測(cè)量電路測(cè)量電路 5 5調(diào)頻電路調(diào)頻電路 諧諧 振振 曲曲 線線 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 1.1.電容式料位計(jì)電容式料位計(jì) 用于水泥、化工、罐裝用于水泥、化工、罐裝 等傳感器靜電容：等傳感器靜電容： 00 22 () lnln S X h Ch DD dd 10 CCC 電容測(cè)深度、角度電容測(cè)深度、角度 動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例

15、電容式傳感器的應(yīng)用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 測(cè)量膜片（金屬?gòu)椥阅てy(cè)量膜片（金屬?gòu)椥阅て?動(dòng)片；動(dòng)片； 兩個(gè)玻璃球面上鍍有金屬兩個(gè)玻璃球面上鍍有金屬 定片；定片； 膜片兩側(cè)左右兩定中充滿硅油。膜片兩側(cè)左右兩定中充滿硅油。 工作過程：工作過程： 當(dāng)兩室分別承受低壓（當(dāng)兩室分別承受低壓（PLPL） 和高壓（和高壓（PHPH）時(shí)，硅油能將）時(shí)，硅油能將 壓差壓差 傳遞到傳遞到 測(cè)量膜片，測(cè)量膜片， HL PPP 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 當(dāng)當(dāng)PH=PLPH=PL時(shí)，膜片處于中間位置，時(shí)，

16、膜片處于中間位置，C1=C2C1=C2； 當(dāng)有差壓作用時(shí)，測(cè)量膜片產(chǎn)生形變：當(dāng)有差壓作用時(shí)，測(cè)量膜片產(chǎn)生形變： PH PLPH PL時(shí)，膜片時(shí)，膜片PLPL向彎曲，向彎曲，C1C2C1C2，；，； PH PLPH C2C1C2； 將這種電容變化通過電路轉(zhuǎn)換為電壓變化將這種電容變化通過電路轉(zhuǎn)換為電壓變化 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容傳感器盒膜結(jié)構(gòu)片電容傳感器盒膜結(jié)構(gòu)片 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 3 3電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金 屬帶材在軋制過程中的

17、厚屬帶材在軋制過程中的厚 度變化。度變化。 帶材是電容的動(dòng)極板，帶材是電容的動(dòng)極板， 總電容總電容C1+C2C1+C2作為橋臂。作為橋臂。 帶 材 只 是 上 下 波 動(dòng) 時(shí)帶 材 只 是 上 下 波 動(dòng) 時(shí) Cx=C1+C2Cx=C1+C2總的電容量不變；總的電容量不變； 帶材的厚度變化使電容帶材的厚度變化使電容CxCx 變化。變化。 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 4 4電容測(cè)位移電容測(cè)位移 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 5.5.力平衡式加速度傳感器力平衡式加速度傳感器 力平衡式傳感器是先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成力或力力平衡式傳感器是先將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成力或力 矩然后用反饋力與它平衡的閉環(huán)傳感器，