電容式傳感器dPPT課件

1、電容式傳感器d4.1 工作原理、結(jié)構(gòu)及特性工作原理、結(jié)構(gòu)及特性4.2 應(yīng)用中存在的問題及改進(jìn)措施應(yīng)用中存在的問題及改進(jìn)措施4.3 測量電路測量電路4.4 電容式傳感器及其應(yīng)用電容式傳感器及其應(yīng)用 電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量電容量的變化。結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、可非接觸測量，的變化。結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣環(huán)境工作。并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣環(huán)境工作。 微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成化電容傳感器將成為一種很微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成化電容傳感器將成為一種很有前途的傳感器。有前途的傳感器。電容式傳感器dAACr0 A 極板相對覆蓋面積

2、；極板相對覆蓋面積； 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(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 A電容式傳感器d上一頁返 回下一頁4.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器變極距變極距( (）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) 上一頁返 回下一頁電容式傳感器d(非線性關(guān)系非線性關(guān)系) 若極距縮小若極距縮小 初始電容初始電容上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁000ACr000001CACCCr000

3、1CC則：電容式傳感器d若若 / 0 1時(shí)，則上式按級數(shù)展開為時(shí)，則上式按級數(shù)展開為 00CC上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁靈敏度靈敏度S為為:20000ACCSr略去高次略去高次(非線性非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系：項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系：電容式傳感器d 由上討論可知：由上討論可知： (1) 變極距型電容傳感器只有在變極距型電容傳感器只有在 / 0很小很小( 小測量范圍小測量范圍 10%)時(shí)，才有近似的線時(shí)，才有近似的線性輸出；性輸出； (2)靈敏度靈敏度 與與 初始極距的平方成反比，故初始極距的平方成反比，故可用減少可用減少0 的辦法來提高靈敏度。的辦法來提高靈敏度?？紤]線性項(xiàng)和二次

4、項(xiàng)，則相對非線性誤差為考慮線性項(xiàng)和二次項(xiàng)，則相對非線性誤差為: 又由又由ef的表達(dá)式可見，的表達(dá)式可見， 0 的減小會導(dǎo)致非線性的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大；過小還可能引起電容器擊穿或短路，為誤差增大；過小還可能引起電容器擊穿或短路，為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料( 云母、塑料膜云母、塑料膜等等)作介質(zhì)。作介質(zhì)。電容式傳感器d 差動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)極板置于兩定極板之差動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)極板置于兩定極板之間。初始位置時(shí)，間。初始位置時(shí)， 1= 2= 0，兩邊初，兩邊初始電容相等。動(dòng)極板向上有位移始電容相等。動(dòng)極板向上有位移 時(shí)時(shí)，則電容總的相對變化量為，則電容總的相對變化量為:

5、略去高次項(xiàng)略去高次項(xiàng),得得:此時(shí)此時(shí),相對非線性誤差為相對非線性誤差為:電容式傳感器d 當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板平當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板平移移l 時(shí)，其電容量為時(shí)，其電容量為呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容相對變化量為:靈敏度:電容式傳感器d電容式角位移傳感器電容式角位移傳感器 0000dsCr00000)1 (CCdSCr當(dāng)當(dāng)=0時(shí)時(shí) 當(dāng)當(dāng)0時(shí)時(shí)傳感器電容量傳感器電容量C與角位移與角位移間呈線性關(guān)系間呈線性關(guān)系 上一頁返 回下一頁電容式傳感器d)(20100021LLLbCCCrr當(dāng)當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容：時(shí)，傳感器的初始電容： 0000000100bLbLCr當(dāng)

6、被測電介質(zhì)進(jìn)入當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間極板間L深度后：深度后：02000) 1(LLCCCCCr電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器ddDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始電容初始電容 電容與液位的關(guān)系為：電容與液位的關(guān)系為： 上一頁返 回下一頁電容式液位傳感器電容式液位傳感器電容式傳感器d4.2 應(yīng)用中存在的問題及其改進(jìn)措施應(yīng)用中存在的問題及其改進(jìn)措施 4.2.1 等效電路等效電路 上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純上節(jié)對各種電容傳感器的特

7、性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如圖所示。加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如圖所示。RsCCPRpL電容式傳感器d 圖中圖中 C為傳感器電容，為傳感器電容， Rp為低頻損耗并聯(lián)電阻為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗, Rs為高濕、高溫、為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻，

8、它包含導(dǎo)線、極板高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感。為電容器及引線電感。CP為寄生電容?？梢?，在實(shí)際應(yīng)用中，特別在為寄生電容?？梢姡趯?shí)際應(yīng)用中，特別在高頻激高頻激勵(lì)時(shí)勵(lì)時(shí)，尤需考慮，尤需考慮 L的存在，會使傳感器有效電容的存在，會使傳感器有效電容變化，引起傳感器有效靈敏度改變：變化，引起傳感器有效靈敏度改變： 在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。電纜時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。電容式傳感器d4.2.2 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng) 以上分

9、析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。實(shí)際上當(dāng)極板厚度應(yīng)的影響。實(shí)際上當(dāng)極板厚度h 與極距與極距 之比相對之比相對較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)，對極較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)，對極板半徑為板半徑為r 的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算下式計(jì)算 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影 響，可以采用響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。電容式傳感器d邊

10、邊 緣緣 電電 場場均均勻勻電電場場33211、2 電極電極 3等位環(huán)等位環(huán)上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁32 保護(hù)環(huán)與定極板同心保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強(qiáng)分布，從而到均勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響?？朔吘壭?yīng)的影響。 為減小極板厚度，往為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。作為極板。電容式傳感器d4.2.3 靜電引力靜電引力

11、 電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差?？紤]因靜電引力造成的測量誤差。4.2.4 寄生電容寄生電容 電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很?。慷己苄。?幾皮法到幾十皮法）幾皮法到幾十皮法） ，屬

12、于小功率、高阻，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]有用信號而不能使用。，甚至?xí)蜎]有用信號而不能使用。電容式傳感器d 消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。幾種常用方法。鍵。幾種常用方法。 1 驅(qū)動(dòng)電纜法驅(qū)動(dòng)電纜法整體屏蔽法整體屏蔽法2 3 采用組合式與集成技術(shù)采用組合式與集成技術(shù)電

13、容式傳感器d4.2.5 溫度影響溫度影響1、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。產(chǎn)生很大的溫度誤差。 2、 溫度對介質(zhì)的影響溫度對介質(zhì)的影響 溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；

14、而某些液體介質(zhì) ，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。如煤油的介電常數(shù)溫度系數(shù)可達(dá)較大。如煤油的介電常數(shù)溫度系數(shù)可達(dá)0.07 /；若環(huán)境溫度變化若環(huán)境溫度變化50 ，則將帶來，則將帶來 7的溫度誤差，的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。電容式傳感器d4.3.1 耦合式電感電橋耦合式電感電橋4.3.2 雙雙T型電橋電路型電橋電路4.3.3 脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路4.3.4 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路4.3.5 調(diào)頻電路調(diào)頻電路上一頁返 回下一頁電容式傳感器d上一頁上一頁

15、返返 回回下一頁下一頁U0iC1iC2UfD1D2RRC1C2RL 激勵(lì)電源為方波。一激勵(lì)電源為方波。一個(gè)周期內(nèi)，通過負(fù)載的電個(gè)周期內(nèi)，通過負(fù)載的電流為兩流為兩電容器放電電流電容器放電電流之之差，若兩電容不等則一周差，若兩電容不等則一周期內(nèi)負(fù)載電流不為零期內(nèi)負(fù)載電流不為零電容式傳感器d電容式傳感器dl利用對傳感器電容的充放電使電路輸出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脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化l通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變化的直流信號化的直流信號 上一頁返 回下一頁電容式傳感器d上一頁返 回下一頁QBQVD2VD

16、1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電容式傳感器d上一頁返 回下一頁電容式傳感器duAB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 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA點(diǎn)和點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；點(diǎn)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(shí)間；的充電時(shí)間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。觸發(fā)器輸出的高電位。上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器dC1、C2的充電時(shí)間的充電時(shí)間TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓觸

17、發(fā)器的參考電壓 設(shè)設(shè)R1=R2=R，則得，則得 UCCCCUr01212：上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d差動(dòng)變極距型差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型差動(dòng)變面積型 EUddddU12120EUSSSSU12210差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器動(dòng)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 回回下一頁下一頁電容式傳感器d采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等也不需要相敏檢波與解調(diào)等對元件無線性要求對元件無線性要求經(jīng)低

18、通濾波器可輸出較大的直流電壓經(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對輸出矩形波的純度要求也不高 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d：能克服變極距型電容傳感器的非線性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 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁運(yùn)算放大器式電路原理圖運(yùn)算放大器式電路原理圖uiC- -ACxu0電容式傳感器d由運(yùn)算放大器工作原理可知由運(yùn)算放大器工作原理可知 ixixuCCuCjCju)/(1)/(10dSCx/ ) (dSCuui 0 前提：假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)前提：假設(shè)

19、放大器開環(huán)放大倍數(shù)A= ，輸入阻抗，輸入阻抗Zi= 實(shí)際仍然存在一定的非線性誤差，實(shí)際仍然存在一定的非線性誤差， 但一般但一般A和和Zi足夠大，所以這種誤差很小。足夠大，所以這種誤差很小。 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d)(212101CCCCLLCfi上一頁返 回下一頁電容式傳感器d當(dāng)被測信號為零時(shí)，當(dāng)被測信號為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，)(21010CCCLfi當(dāng)被測信號不為零時(shí)，當(dāng)被測信號不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為，此時(shí)頻率為 ffCCCCLfi001)(21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

20、量級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)易于用數(shù)字儀器測量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d上一頁返 回下一頁 隨著電容式傳感器應(yīng)用問題的完善解決，它的應(yīng)隨著電容式傳感器應(yīng)用問題的完善解決，它的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯用優(yōu)點(diǎn)十分明顯（1） 分辨力極高分辨力極高 ，能測量低達(dá)，能測量低達(dá) 10-7的電容值或的電容值或 0.01微米的絕對變化量和高達(dá)微米的絕對變化量和高達(dá)( C/C)=100200%的相對的相對變化量，因此尤其適合微信息檢測；變化量，因此尤其適合微信息檢測； (2)動(dòng)極質(zhì)量小，可無接觸測量；自身的功耗、發(fā)熱動(dòng)極質(zhì)量小，

21、可無接觸測量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，和遲滯極小， 可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性( 3）結(jié)構(gòu)簡單）結(jié)構(gòu)簡單 ,不含有機(jī)材料或磁性材料，對環(huán)境不含有機(jī)材料或磁性材料，對環(huán)境 除除高濕外高濕外 的適應(yīng)性較強(qiáng)；的適應(yīng)性較強(qiáng)； 過載能力強(qiáng)。過載能力強(qiáng)。電容式傳感器dP2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 結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(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. 測真空或微小絕對壓力時(shí)測真空或微小絕對壓力時(shí)需把膜片的一側(cè)密需把

22、膜片的一側(cè)密封并抽成高真空封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 為何種類型電容傳感器？為何種類型電容傳感器？上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d231B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(zhì)量塊質(zhì)量塊 6 絕緣體絕緣體A、B面為可動(dòng)極板面為可動(dòng)極板 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器da)a)測振幅測振幅b)b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物被測物振動(dòng)振動(dòng)電容式電容式傳感器傳感器被測軸被測軸電容式電

23、容式傳感器傳感器 上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d電荷平衡式位移傳感器電荷平衡式位移傳感器 0RMMRCVCVRRMMCVCV VR為不變的等幅方波信號，為不變的等幅方波信號， VM與與VR反向幅反向幅值可變，其幅值與測頭的位置成比例值可變，其幅值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已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應(yīng)用應(yīng)用。上一頁上一頁返返 回回下一頁下一頁電容式傳感器d 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式傳感器d 液位限位傳感器與液液位限位傳感

24、器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。電容式傳感器d 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號和控制信號。號和控制信號。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電容式傳感器d超限燈超限燈正常工作正常工