電氣測(cè)試技術(shù)第三章 電容式傳感器

1、廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器變換原理變換原理: :將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :dsdsCr0+ds d d、s s或或r r發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。都會(huì)引起電容的變化。第一節(jié)第一節(jié) 工作原理及特性工作原理及特性廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院a)a)變面積型變面積型dsC角位移型角位移型+電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2、平面線(xiàn)位移型平面線(xiàn)位移型電容式傳感器電容式傳感器 dsC廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院柱面線(xiàn)位移型柱面線(xiàn)位移型. .)/ln(20dDlrC廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 b)b)變間隙型變間隙型+dsrC0+廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性

3、能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 線(xiàn)速度型線(xiàn)速度型廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 dsCd201201dsdck則靈敏度系數(shù)CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dk不是常數(shù),且與d 成反比。極距越小靈敏度越高，但非線(xiàn)性誤差會(huì)越大。實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度和擴(kuò)大線(xiàn)性范圍，多采用差動(dòng)式電容傳感器。20問(wèn)題：?jiǎn)栴}：d是越小好還是大好呢？是越小好還是大好呢？廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu).)()(1111302000000001d

4、dddddCddcdddsddsC.)()(1111302000000002ddddddCddcdddsddsC.)()(1240200021ddddddCCCC電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院忽略高次項(xiàng)得002ddCC則靈敏度系數(shù)200022dsdCdCk結(jié)論：差動(dòng)結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。差動(dòng)結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。減小了非線(xiàn)性誤差。減小了非線(xiàn)性誤差。能夠更好地克服溫度等外界共模信號(hào)干擾。能夠更好地克服溫度等外界共模信號(hào)干擾。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院c) c) 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容式傳感器電容式傳感器 dsrC0廣東機(jī)電職

5、業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院DdHh1電容式液面計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 測(cè)量電路測(cè)量電路a)a)交流電橋電路交流電橋電路 一、調(diào)幅型測(cè)量電路一、調(diào)幅型測(cè)量電路單臂電橋單臂電橋輸出電壓U0與電容C之間是非線(xiàn)性的。差動(dòng)接法差動(dòng)接法電容式傳感器電容式傳感器測(cè)量電路測(cè)量電路電壓或頻率信號(hào)電壓或頻率信號(hào)輸出電壓U0與電容C之間成線(xiàn)性關(guān)系。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院b) b

6、) 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 電容式傳感器電容式傳感器 電路特點(diǎn)：使輸出電壓電路特點(diǎn)：使輸出電壓U0與電容傳感器兩級(jí)間的間距成正比。與電容傳感器兩級(jí)間的間距成正比。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、脈寬調(diào)制型測(cè)量電路二、脈寬調(diào)制型測(cè)量電路圖3.2.3 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器+-+-C1C2R2R1+-N1N2N3V1V2RSurPMNBQQAU0UFQQAB廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)知識(shí)回顧：基礎(chǔ)知識(shí)回顧：1、單門(mén)限比較器工作原理2、RS觸發(fā)器工作原理工作原理：通過(guò)利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨工作原理：通過(guò)利用傳感器電容充放電，使電路

7、輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化。電容傳感器的電容量變化而變化。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院LCf210電容式傳感器電容式傳感器 三、調(diào)頻型測(cè)量電路三、調(diào)頻型測(cè)量電路鑒頻器限幅放大器振蕩器CxLCx電容傳感器fufu廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題實(shí)際中存在的問(wèn)題一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響由于構(gòu)成傳感器的材料不同，所以線(xiàn)膨脹系數(shù)不同。由于構(gòu)成傳感器的材料不同，所以線(xiàn)膨脹系數(shù)不同。溫度溫度t變化變化C的幾何形狀變化的幾何形狀變化電容量變化電容量變化C=C0+CP+Ct 傳感器的初始電容量傳感器的初始電容量被測(cè)信

8、號(hào)作用下電容量的增量被測(cè)信號(hào)作用下電容量的增量環(huán)境溫度變化產(chǎn)生附加的電容增量環(huán)境溫度變化產(chǎn)生附加的電容增量Ct決定傳感器溫度誤差的大小。決定傳感器溫度誤差的大小。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，引起傳感器靈敏度降低和非線(xiàn)性增加。相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，引起傳感器靈敏度降低和非線(xiàn)性增加?？朔吘壭?yīng)的方法克服邊緣效應(yīng)的方法增加初始電容量增加初始電容量C0增大面積增大面積減小間距減小間距加裝等位環(huán)加裝等位環(huán)廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院三、寄生電容的影響三、寄生電容的影響1、除極板與極板間存在電容

9、外，極板與周?chē)矬w也產(chǎn)生電容寄生電容。、除極板與極板間存在電容外，極板與周?chē)矬w也產(chǎn)生電容寄生電容。2、寄生電容的存在對(duì)傳感器的影響、寄生電容的存在對(duì)傳感器的影響使傳感器的電容量發(fā)生改變使傳感器的電容量發(fā)生改變導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，并導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，并產(chǎn)生干擾產(chǎn)生干擾3、克服寄生電容：靜電屏蔽、克服寄生電容：靜電屏蔽廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向物體本身，當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)介電常數(shù)發(fā)生發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相變化，使得和測(cè)量

10、頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .由此便由此便可控制可控制開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)斷; ;接接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀以是絕緣的液體或粉狀物體。物體。電容式傳感器的應(yīng)用舉例第三節(jié)第三節(jié)廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院構(gòu)成：構(gòu)成：膜片膜片動(dòng)極板，一般采用不銹動(dòng)極板，一般采用不銹鋼材料制作，需要加預(yù)張力。鋼材料制作，需要加預(yù)張力。 玻璃基片上鍍有金屬層的球面玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。極板，這里的球面很夸張。 球面的作用

11、是壓力過(guò)大時(shí)球面的作用是壓力過(guò)大時(shí)（過(guò)載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)（過(guò)載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)的非線(xiàn)性。的非線(xiàn)性。 后續(xù)測(cè)量電路常使用差動(dòng)脈后續(xù)測(cè)量電路常使用差動(dòng)脈 沖調(diào)寬電路。沖調(diào)寬電路。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院以差動(dòng)電容為檢測(cè)原理組成的電容式差壓變送器以差動(dòng)電容為檢測(cè)原理組成的電容式差壓變送器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Veridicom的指紋傳感芯片表面由的指紋傳感芯片表面由300300個(gè)電容傳感個(gè)電容傳感器組成。器組成。 當(dāng)個(gè)人把他的手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器當(dāng)個(gè)人把他的手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器的另外一極。由于手指上指紋紋路及深淺的存在，導(dǎo)

12、致硅的另外一極。由于手指上指紋紋路及深淺的存在，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容電壓的不同，通過(guò)測(cè)量并記錄各表面電容陣列的各個(gè)電容電壓的不同，通過(guò)測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電壓值就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖象。點(diǎn)的電壓值就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖象。指紋傳感芯片：指紋傳感芯片：電容感應(yīng)原理電容感應(yīng)原理貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量1 齒輪齒輪 2 定極定極 3 電容傳感器電容傳感器 4 頻率計(jì)頻率計(jì)2 21 13 34 4其它應(yīng)用：其它應(yīng)用：廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1、一圓形平板式電容傳感器，極板面積為、一圓形平板式電容傳感器，極板面積為500mm ，初始間隙為初始間隙為0.5mm，空氣介質(zhì)，則該傳感器靈敏度為多，空氣介質(zhì)，則該傳感器靈敏度為多少？當(dāng)極板間隙減小少？當(dāng)極板間隙減小4um，則電容變化