第5章電容式傳感器

1、下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 傳感器的工作原理及類型 電容傳感器的靈敏度及非線性 電容傳感器的特性等效電路 電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 本章要點(diǎn)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式傳感器？電容式傳感器？ 電容式傳感器是將被測(cè)量電容式傳感器是將被測(cè)量( (如尺寸、壓力等如尺寸、壓力等) )的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的-種傳感器。種傳感器。 s 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)5.1 5.1 工作原理、分類及應(yīng)用工作原理、分類及應(yīng)用 一、工作原理一、工作原理ssCr0：介質(zhì)介電常數(shù)介質(zhì)介電常數(shù) s ：極板面積極板面積 ：極板間距離極板間距

2、離 s 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容可以做成哪幾種類型的電容傳感器？傳感器？ 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)二、分類二、分類 ( (按工作原理分類按工作原理分類) ) 改變s、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C 改變。 固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。 s ssCr0下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)圖411 1、變極距型、變極距型( (變間距型變間距型) )電容傳感器電容傳感器 兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量變化.下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器變間隙式一般用于微

3、小位移的測(cè)量（小至：0.01微米）。dddCddddSdSddSC0改善非線性，提高靈敏度，減少環(huán)境影響，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)2、變面積電容傳感器、變面積電容傳感器常用的有角位移型和線位移型兩種。一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形 。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 電容量的變化與面積的變化成線性關(guān)系。dSdSSdSdSC)( 與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)。還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量

4、(圖d)等3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類 平板式平板式 圓柱、圓筒式圓柱、圓筒式差動(dòng)式差動(dòng)式單體式單體式dSC)ln(2rRlC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式液位計(jì)電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)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下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式接近開(kāi)關(guān)外形電容式接近開(kāi)關(guān)外形下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)濕敏電容傳感器外形濕敏電容傳感器外形下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)原理：變介質(zhì)型原理：變介質(zhì)型特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量應(yīng)用：紙張、絕緣薄膜等應(yīng)用：紙張、絕緣薄膜等電容式厚度傳

5、感器電容式厚度傳感器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)其他應(yīng)用：其他應(yīng)用：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)1、變間隙式：、變間隙式：s定極定極板板動(dòng)極動(dòng)極板板：極板間介質(zhì)介電常數(shù)：極板間介質(zhì)介電常數(shù) 0：真空介電常數(shù)：真空介電常數(shù) r：極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)：極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) ：極板間距離：極板間距離 s ：極板有效覆蓋面積：極板有效覆蓋面積 5.2 5.2 電容式傳感器靈敏度及非線性電容式傳感器靈敏度及非線性SSCr0電容：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)cSddck2靈敏度K與極板間距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。例如：電容式壓力傳感器，0.10.2mm，C=20100pF，可測(cè)小至0.01um的線位移。適合于微位移的測(cè)量。初始

6、極距過(guò)小容易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（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。靈敏度分析：靈敏度分析：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)000011CsCCC)11(000CC10若： 200001CC則：非線性誤差分析：非線性誤差分析：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)0001CC：略去二次方以上高次項(xiàng)只考慮線性項(xiàng)：00CC非線性誤差：%10010000fe%1000下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)討論：討論： 為了保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的位移量。通常規(guī)定測(cè)量范圍 0,，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。 電容量C與極距呈非線性關(guān)系，減小初始極距將增大非線性誤差。 在實(shí)際應(yīng)用中, 為了提高靈敏度、減小非線性誤差, 大都

7、采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)：差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)：001AC002AC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 2000011CC 差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 2000021CC 0402000212CC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)o靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍o非線性非線性減小減小靈敏度：kCk2200非線性誤差：%10020 fe差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)2 2、變面積式、變面積式xbCxabC0)(bax下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)說(shuō)明：說(shuō)明：o靈敏度為一常數(shù)，輸出特性是線性的。靈敏度為一常數(shù)，輸出特性是線性的。obb、kko適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移。xbCCC0bxC靈敏

8、系數(shù)為：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)思考：思考： 用于角位移測(cè)量的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖。A、B為同一平面、形狀和尺寸均相同且互相絕緣的定極板。動(dòng)極板C平行于A、B，并在自身平面內(nèi)繞O點(diǎn)擺動(dòng)。初始時(shí)，C處于A、B的中心。設(shè)極板間距為d。 試推導(dǎo)： （1）初始時(shí)電容值。 （2）當(dāng)C向右移動(dòng)角位移 后電容值。 (3)靈敏度。ACCBCCACCBCC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)3 3、變介電常數(shù)式、變介電常數(shù)式電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)1：液體介質(zhì)的介電常數(shù)：液體介質(zhì)的介電常數(shù)0: 空氣的介電常數(shù)；空氣的介電常數(shù)； H: 電極板的總長(zhǎng)度；電極板的總長(zhǎng)度；d 、 D：電極板的內(nèi)、外徑；：電極板的內(nèi)、外徑；dDhHdDhcln

9、)(2ln21dDhdDHln)(2ln21下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)另一種變介電常數(shù)的電容式傳感器：另一種變介電常數(shù)的電容式傳感器：rrddsddSC000d不變，不變， 改變，如：測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤改變，如：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。等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。不變，不變，d改變，如：測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度改變，如：測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度d0 rs氣隙氣隙下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)一、特點(diǎn)一、特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn) 輸入能量小而靈敏度高。極距變化型電容壓力傳感器只需很小的能量就能改變電容極板的位置，因此電容傳感器可以測(cè)量很小的力，而且很靈敏。精度高達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)

10、，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5m。 機(jī)械損失小。自身發(fā)熱量很小，又無(wú)摩擦，具有很高的精度。 動(dòng)態(tài)特性好?；顒?dòng)部件質(zhì)量小，因此固有頻率高。適于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。在振動(dòng)、強(qiáng)輻射以及很大的溫度變化的惡劣環(huán)境下工作。5.2.2 5.2.2 電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)2、缺點(diǎn) 輸出阻抗高，大到幾十兆歐幾百兆歐，帶負(fù)載能力差。 輸出特性非線性較嚴(yán)重。 寄生電容的影響較大，從而導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，降低靈敏度。寄生電容：電容的極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。寄生電容：電容的極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容

11、。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)R R：串聯(lián)損耗電阻。引線電阻、金屬極板電阻等。：串聯(lián)損耗電阻。引線電阻、金屬極板電阻等。( (高頻高頻) )RpRp：并聯(lián)電阻。直流漏電阻、氣隙介質(zhì)損耗等。（低頻）：并聯(lián)電阻。直流漏電阻、氣隙介質(zhì)損耗等。（低頻）L L：電容器及引線的動(dòng)態(tài)電感。（高頻）：電容器及引線的動(dòng)態(tài)電感。（高頻）CpCp：A A、B B兩端的寄生電容。兩端的寄生電容。二、等效電路分析二、等效電路分析下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)RpRLC二、等效電路分析二、等效電路分析RpRp與并聯(lián)的與并聯(lián)的 相比很大，故忽略并聯(lián)大電相比很大，故忽略并聯(lián)大電阻阻Rp 。R R與串連的與串連的 相比很小，故忽略串連小電相比很小，故忽

12、略串連小電阻阻R。高頻情況下，高頻情況下，L L對(duì)對(duì)A A、B B端等效電容的影響。端等效電容的影響。CXC1LXL下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)LCCCCCee211所以所以改變電源頻率、更換電纜，必須重新標(biāo)定。改變電源頻率、更換電纜，必須重新標(biāo)定。電容傳感器測(cè)量必須在同樣條件下進(jìn)行。電容傳感器測(cè)量必須在同樣條件下進(jìn)行。傳感器有效電容：傳感器有效電容：CecjLjcje11LCCCe21222211LCkLCcCke下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)一、交流電橋一、交流電橋03241ZZZZ4321ZZZZ平衡條件為平衡條件為)(43213241ZZZZZZZZUUsrSC5.3 5.3 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器

13、的轉(zhuǎn)換電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)交流電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件： 1 423z zz zijiizZ e14231423Z ZZ Z 式中，zi各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗(i=1,2,3,4）；Zi復(fù)數(shù)阻抗的模（i=1,2,3,4）；i復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等；相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等；且相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的幅角之和相等。且相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的幅角之和相等。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容傳感器常用交流電橋形式電容傳感器常用交流電橋形式下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 當(dāng)橋路電源電壓與傳感元件阻抗相對(duì)變化量當(dāng)橋路電源電壓與傳感元件阻抗相對(duì)變化量 一定時(shí)一定時(shí)11ZZ相鄰橋臂初始

14、阻抗的模相等模相等 ，并使兩橋臂阻抗幅角差幅角差 盡量大盡量大，可以提高電橋電壓靈敏度 。21zz 21ioUU /電容傳感器常用交流電橋形式分析電容傳感器常用交流電橋形式分析提高電橋電壓靈敏度？提高電橋電壓靈敏度？下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)圖4-13（h）二、變壓器電橋二、變壓器電橋等效電路圖：等效電路圖：E1E2C1C2I1I2IfZf01121222111fffffIIIEZIIcjEZIIcj下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)fZEEE）考慮（放大器輸入阻抗起始時(shí)：21jCCZjCECEIff)(1)(212211求得：ffffscZjCCZjCECEZIU)(1)(212211ECCCCUsc2121(5-3-

15、1)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)SCSC21對(duì)差動(dòng)變間隙電容器：說(shuō)明：說(shuō)明：ZZ時(shí)，時(shí)，U=f(U=f(），成線性關(guān)系。），成線性關(guān)系。U USCSC與電源電壓有關(guān)，所以必須交流穩(wěn)壓。與電源電壓有關(guān)，所以必須交流穩(wěn)壓。采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。0EUsc下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)變壓器電橋輸出電路變壓器電橋輸出電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)例：自動(dòng)平衡電橋例：自動(dòng)平衡電橋下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)工作過(guò)程工作過(guò)程無(wú)油時(shí)，起始電容無(wú)油時(shí)，起始電容Cx=Cx0，若使，若使Cx0=C0，此時(shí)輸出為零，此時(shí)輸出為零，指針指零，電橋無(wú)輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)指針指零，電橋無(wú)輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài), E1Cx0= E2C0油量變化

16、時(shí)，油量變化時(shí)，Cx=Cx0+Cx Cx =k1h電橋不平衡電橋不平衡輸出輸出U 放大放大兩相電極轉(zhuǎn)動(dòng)兩相電極轉(zhuǎn)動(dòng)減速減速指針指示指針指示電位器電刷轉(zhuǎn)動(dòng)電位器電刷轉(zhuǎn)動(dòng) 改變改變E電橋恢復(fù)平衡電橋恢復(fù)平衡輸出電壓為零、電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、指針輸出電壓為零、電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、指針停在某角度上。停在某角度上。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)hkkCEEk21012是線性電位器所以，指針轉(zhuǎn)角與所以，指針轉(zhuǎn)角與h h成線性關(guān)系成線性關(guān)系hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡條件：（在新的平衡位置：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式油量表電容式油量表 機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有在油箱內(nèi)，裝有類

17、似衛(wèi)生間水箱里的類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。由電流表指示出油量。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 該油量表可用于飛機(jī)油箱下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)三、二極管式線路三、二極管式線路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 當(dāng)U為正半周時(shí), 二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止。于是電容C1很快被充電至電壓U，電源U經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電; 與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電電流為I2，流過(guò)RL的電流為I1、I2的和IL。同理負(fù)半周。當(dāng)C1=C2,R1=R2，則電流IL =IL, 且方向相反, 在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)

18、 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為 0, 0, 則則C C1 1 C C2 2, , 那么那么I IL LIIL L, , 此時(shí)此時(shí)R RL L上必定有信號(hào)輸出上必定有信號(hào)輸出, , 其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為值為)()()2(212CCEfRRRRRRRIUfffffsc輸出電壓輸出電壓U Uo o不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān), , 而且而且與與T T型網(wǎng)絡(luò)中的電容型網(wǎng)絡(luò)中的電容C C1 1和和C C2 2的差值有關(guān)。的差值有關(guān)。 當(dāng)電源電壓確定后當(dāng)電源電壓確定后, , 輸出電壓輸出電壓UoUo是電容是電容C1C1和和C2C2的函數(shù)。

19、的函數(shù)。電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān), , 故輸入電源要故輸入電源要求穩(wěn)定。求穩(wěn)定。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)雙雙T型沖放電網(wǎng)絡(luò)仿真型沖放電網(wǎng)絡(luò)仿真下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)圖4-16UFMN四、脈沖調(diào)寬型電路四、脈沖調(diào)寬型電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUf0tT1UNUf0tT2UMUf0tT1UNUf0tT2時(shí)序圖時(shí)序圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)21121TTTTUUUUBPAPscfUUUCRT11111lnfUUUCRT11222ln設(shè)設(shè)R1=R=R2，得：，得：1211UTTTUAP1212U

20、TTTUBP21211CCCCUUsc輸出電壓：(4-17)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)對(duì)于變極距型差分電容傳感器對(duì)于變極距型差分電容傳感器UddU0對(duì)于變面積型差分電容傳感器對(duì)于變面積型差分電容傳感器USSU21211CCCCUUsc輸出電壓：(5-3-15)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)無(wú)論是變間隙、變面積電容傳感器都能線性輸無(wú)論是變間隙、變面積電容傳感器都能線性輸出。輸出為矩形波只需經(jīng)低通濾波器引出即可。出。輸出為矩形波只需經(jīng)低通濾波器引出即可。不需要解調(diào)。將差動(dòng)電容傳感器的輸出變化信不需要解調(diào)。將差動(dòng)電容傳感器的輸出變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成有極性方向和大小輸出的直流信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換成有極性方向和大小輸出的直流信號(hào)。由于低通濾波

21、的作用，對(duì)輸出矩形波的純度要由于低通濾波的作用，對(duì)輸出矩形波的純度要求不高。求不高。要求精度較高的直流電源。要求精度較高的直流電源。 脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路說(shuō)明說(shuō)明：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)五、運(yùn)放式線路五、運(yùn)放式線路xxFSCcccjcjZZUU00111 K CxC0UUSCIXI0按理想運(yùn)算放大器的條件按理想運(yùn)算放大器的條件：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)從原理上解決了單電容變間隙傳感器的非線性問(wèn)題。從原理上解決了單電容變間隙傳感器的非線性問(wèn)題。實(shí)際上，實(shí)際上，Zi，K ，所以，存在一定非線性，所以，存在一定非線性， Zi 、K很大，非線性很小。很大，非線性很小。USC與與C0、U有關(guān)，所以需要高精度交

22、流穩(wěn)壓源、高質(zhì)有關(guān)，所以需要高精度交流穩(wěn)壓源、高質(zhì)量電容量電容C0特別適合于結(jié)構(gòu)上不能用差動(dòng)電容傳感器的場(chǎng)合。特別適合于結(jié)構(gòu)上不能用差動(dòng)電容傳感器的場(chǎng)合。sCsCUUXsc000其中：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)六、調(diào)頻電路六、調(diào)頻電路 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 01 5-22fL C圖4-10調(diào)頻電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)例題例題 有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋,結(jié)構(gòu)組成如圖所示.電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=20mm, a1=a2=a/2=6mm極距=2mm,極間介質(zhì)

23、為空氣,測(cè)量電路u1=3sinwtV,且u=u=1/2u1.試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量x=5mm時(shí),電橋輸出電壓u0 。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)0b0g0a00: 極板間隙；極板間隙；g0 : 固定極板厚；固定極板厚；b0 : 絕緣件厚絕緣件厚0000gba)1 ()1 ()1 (000tgtbtagbattgbagbat)(0000)(,000gbagba使得欲消除影響5.4 5.4 電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 溫度誤差與零件的尺寸、熱膨脹系數(shù)有關(guān)溫度誤差與零件的尺寸、熱膨脹系數(shù)有關(guān) 要減小溫度變化的影響，可以：要減小溫度變化的影響，可以：

24、減少熱膨脹尺寸鏈的組成環(huán)節(jié)。選用熱膨脹系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、鎳鐵合金等。其中尤以絕緣套材料為最重要。采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。說(shuō)明：說(shuō)明：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響如，同心圓柱式傳感器，液面高度如，同心圓柱式傳感器，液面高度H：120t1200ln)(2ln2RRHRRHC溫度變化使得溫度變化使得改變，引起電容量的變化為：改變，引起電容量的變化為：tRRHRRHRRHCCCtttttt01200120120ln2)(ln2)(ln2ttHC)1(0ttt燃油：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)保證絕緣材料的絕緣性能 電容傳感器電

25、容量小、阻抗高，絕緣問(wèn)題突出。電容傳感器電容量小、阻抗高，絕緣問(wèn)題突出。 措施：措施： 選擇優(yōu)質(zhì)絕緣材料，玻璃、石英、陶瓷、尼龍等。 裝配前嚴(yán)格清洗。 傳感器殼體密封，防止水汽進(jìn)入。 采用較高頻率的電源供電，以降低內(nèi)阻抗，相應(yīng)降低對(duì)絕緣電阻的要求。R漏電阻C下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 邊緣效應(yīng)使電容傳感器的靈敏度降低、產(chǎn)生非線性 邊緣效應(yīng)與極板的厚度/極距有關(guān)。比值越大，影響越大。消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng)措施：措施：采用帶保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)；減小極板厚度。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響寄生電容：寄生電容：電容器極板與周圍導(dǎo)體之間產(chǎn)生電電容器極板與周圍導(dǎo)體之間產(chǎn)生電

26、容聯(lián)系。容聯(lián)系。寄生電容不穩(wěn)定寄生電容不穩(wěn)定 傳感器輸出不穩(wěn)定傳感器輸出不穩(wěn)定 產(chǎn)生干擾產(chǎn)生干擾 （屏蔽）電纜寄生電容較大（可達(dá)100pf/m） ，與傳感器電容并聯(lián)： 電纜位置、形狀改變，使傳感器極不穩(wěn)定。電纜信電纜信CCCC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 增加原始電容值可減小寄生電容的影響。 注意傳感器的接地和屏蔽。 采用組合式與集成技術(shù)。將傳感器、前置級(jí)組合在一個(gè)殼體內(nèi)，省去其間的電纜。 采用“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)(也稱雙層屏蔽等位傳輸技術(shù))。 采用運(yùn)算放大器法 整體屏蔽法。消除和減小寄生電容的方法消除和減小寄生電容的方法下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)5.5 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 差分式電容壓

27、力傳感器差分式電容壓力傳感器感壓敏感元件感壓敏感元件下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式差壓變送器電容式差壓變送器 高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)。感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)。感壓腔充灌溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定的硅油作為感壓腔充灌溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定的硅油作為介質(zhì)。介質(zhì)?？梢猿惺艹邏?、小壓差（過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)）可以承受超高壓、小壓差（過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)）P=p-p=100Mpa-99Mpa=2Mpa-1Mpa采用球面電極，改善性能采用球面電極，改善性能工藝要求高：張緊膜片與殼體的焊接困

28、難工藝要求高：張緊膜片與殼體的焊接困難說(shuō)明：說(shuō)明：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)壓力通過(guò)兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片、灌壓力通過(guò)兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片、灌充液作用在敏感元件張緊的測(cè)量膜片充液作用在敏感元件張緊的測(cè)量膜片上上, ,測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各組成一個(gè)電容器極板各組成一個(gè)電容器. .在無(wú)壓力通入或兩側(cè)壓力均等時(shí)測(cè)在無(wú)壓力通入或兩側(cè)壓力均等時(shí)測(cè)量膜片處于中間位置量膜片處于中間位置, ,兩個(gè)電容器的兩個(gè)電容器的電容量相等電容量相等. .當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí), ,致致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移, ,其位移量和壓其位移量和壓力差成正比力差成正比, ,這種這種

29、位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動(dòng)電容板上形成的差動(dòng)電容. .由電子線路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成由電子線路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成4-4-20mADC20mADC的二線制電流信號(hào)的二線制電流信號(hào), ,下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 1高壓側(cè)進(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口 2 2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口 3 3過(guò)濾片過(guò)濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋隔紋隔離膜片離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)各種電容式差各種電容式差壓變送器外形

30、壓變送器外形 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)利用電容差壓變送器利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位測(cè)量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容差壓變送器電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位用于測(cè)量液體的液位 投入式液位計(jì)投入式液位計(jì)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式液位測(cè)量裝置的電容式液位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理圖示為幾種用于連續(xù)測(cè)量的電容探頭結(jié)圖示為幾種用于連續(xù)測(cè)量的電容探頭結(jié)構(gòu)。用一電容探頭感受物面位置的變化。構(gòu)。用一電容探頭感受

31、物面位置的變化。如果容器壁由導(dǎo)電材料制成，則只需裝如果容器壁由導(dǎo)電材料制成，則只需裝入電極入電極1 1或或3 3或或4 4，容器壁作為另一電極與，容器壁作為另一電極與外殼相連（接地）。外殼相連（接地）。如果容器壁由非金屬材料制成，則必須如果容器壁由非金屬材料制成，則必須使用具有內(nèi)外電極的管式電極使用具有內(nèi)外電極的管式電極2 2，或?qū)﹄?，或?qū)﹄姌O極l l、3 3、4 4另附一個(gè)反電極另附一個(gè)反電極5 5。測(cè)量時(shí)，電容器的上部隔著空氣，下部測(cè)量時(shí)，電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)0 0l l，被測(cè)物的介電常數(shù)為，被測(cè)物的介電常數(shù)為r r

32、。物位。物位變化時(shí)，變化時(shí)，電容器的電容變化值電容器的電容變化值CC與被測(cè)與被測(cè)材料的物位高度材料的物位高度x x成線性關(guān)系成線性關(guān)系。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式液位電容式液位限位限位傳感器傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，

33、儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 圖所示是一些進(jìn)行物位極限位置圖所示是一些進(jìn)行物位極限位置監(jiān)控的電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)。監(jiān)控的電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)。 這時(shí)不再希望探頭的電容值在整這時(shí)不再希望探頭的電容值在整個(gè)高度范圍內(nèi)線性變化，而是希望個(gè)高度范圍內(nèi)線性變化，而是希望物位在達(dá)到極限位置時(shí)電容能發(fā)生物位在達(dá)到極限位置時(shí)電容能發(fā)生突變突變。 l l和和2 2是絕緣的電極，是絕緣的電極，3 3是側(cè)面安裝是側(cè)面安裝的電極，它以的電極，它以7070角傾斜安裝可防角傾斜安裝可防止被測(cè)液的粘附，止被測(cè)液的粘

34、附，4 4是平面電極，可是平面電極，可用于一些不能在內(nèi)部插入電容探頭用于一些不能在內(nèi)部插入電容探頭的容器內(nèi)物位的測(cè)量，如攪拌器。的容器內(nèi)物位的測(cè)量，如攪拌器。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè) 電容式液位限位傳感器在電容式液位限位傳感器在物位測(cè)量控制中的使用演示物位測(cè)量控制中的使用演示下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式液位限位傳感器在電容式液位限位傳感器在液位測(cè)量控制中的使用液位測(cè)量控制中的使用下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式料位傳感器電容式料位傳感器電容式物位變送器電容式物位變送器探頭探頭與與容器壁容器壁形成形成一個(gè)電容器。一般采用單電極式。一個(gè)電容器。一般采用單電極式。電容極板（探頭與容器壁）的表面積、電容極板（探頭與容器壁）的

35、表面積、兩極板之間的距離及被測(cè)物料的介電常兩極板之間的距離及被測(cè)物料的介電常數(shù)決定電容量的大小。數(shù)決定電容量的大小。當(dāng)探頭固定安裝于容器壁上后，被測(cè)當(dāng)探頭固定安裝于容器壁上后，被測(cè)物料之介電常數(shù)不變時(shí)，此刻的電容量物料之介電常數(shù)不變時(shí)，此刻的電容量?jī)H取決于被測(cè)物料的高度，并與物位成僅取決于被測(cè)物料的高度，并與物位成正比。正比。通過(guò)變送器將測(cè)出的電容量轉(zhuǎn)換為連通過(guò)變送器將測(cè)出的電容量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的續(xù)的420mA420mA模擬信號(hào)輸出。模擬信號(hào)輸出。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)dDHCln)(20電容量與料位的電容量與料位的關(guān)系：關(guān)系：下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān) 電容式接近開(kāi)關(guān)亦屬于一種具有開(kāi)

36、關(guān)量輸出的位置傳感器，它電容式接近開(kāi)關(guān)亦屬于一種具有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，它的的測(cè)量頭測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是物體物體的的本身，當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的電容量發(fā)生變本身，當(dāng)物體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的化，使得和測(cè)量頭相連的RCRC振蕩器開(kāi)始振蕩振蕩器開(kāi)始振蕩 ，由此便可控制開(kāi)關(guān)，由此便可控制開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)斷。的接通和關(guān)斷。被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；廣泛應(yīng)用于機(jī)械，礦山

37、，造紙，煙草，體（例如飼料、人體等）；廣泛應(yīng)用于機(jī)械，礦山，造紙，煙草，塑料，化工，治金，輕工，汽車，電力，保安，鐵路，航天等各塑料，化工，治金，輕工，汽車，電力，保安，鐵路，航天等各個(gè)行業(yè)個(gè)行業(yè) 。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）遠(yuǎn)距離式（大量程）下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)非接觸電容式位移傳感器非接觸電容式位移傳感器非接觸電容位移傳感器可測(cè)量各種導(dǎo)電材料的間隙、長(zhǎng)度、尺寸或位置?？蓪?shí)現(xiàn)高的線性測(cè)量。具有特別高的分辨率，以及穩(wěn)定性。電容位移傳感器使用場(chǎng)合要求干凈，任何油污、塵埃、水等介質(zhì)進(jìn)入傳感器間隙中，都將影響測(cè)量結(jié)果。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)位移測(cè)量位移測(cè)量 彎曲、波動(dòng)彎曲、波動(dòng)變形變形移動(dòng)

38、、位移移動(dòng)、位移位置、膨脹位置、膨脹振動(dòng)、偏心振動(dòng)、偏心位置、膨脹位置、膨脹沖擊、變形沖擊、變形軸向竄動(dòng)軸向竄動(dòng)閥門位移閥門位移活塞移動(dòng)活塞移動(dòng) 厚度、輪廓厚度、輪廓偏心、直徑偏心、直徑同心度同心度壓縮機(jī)葉片壓縮機(jī)葉片間隙、轉(zhuǎn)速間隙、轉(zhuǎn)速下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)濕敏電容濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加，所以電容量增大。之間的介質(zhì)相

39、對(duì)介電常數(shù)大為增加，所以電容量增大。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜電容吸水高分子薄膜電容下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型帶報(bào)警器的家庭使用型下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)圖4-21 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)硅微加工加速度傳感器硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量

40、慣性力或重力（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)加速度。加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出與加速度成正比的電壓也可可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的脈沖。輸出占空比正比于加速度的脈沖。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） 利用利用微電子加工技術(shù)微電子加工技術(shù)，可以將一塊多，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制制造出三個(gè)多晶硅電極造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容，組成差動(dòng)電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。所以相當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受