第4章 電容式傳感器C

1、傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器本章內(nèi)容本章內(nèi)容 4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 4.2 4.2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 4.3 4.3 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器學習目標學習目標 理解變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳理解變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器的工作原理。感器的工作原理。 能正確分析電容式傳感器的典型測量電路。能正確分析電容式傳感器的典型測量電路。 掌握差分電容式傳感器的工作原理及優(yōu)點。掌握差分電容式傳感器的工作原理及優(yōu)點。

2、 掌握電容傳感器的基本使用方法和典型應用。掌握電容傳感器的基本使用方法和典型應用。 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器第4章 電容式傳感器電容式傳感器的本質(zhì)：它是將被測量電容式傳感器的本質(zhì)：它是將被測量(如壓力、尺寸等如壓力、尺寸等)的的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器，其本身就是一個可變變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器，其本身就是一個可變電容器。電容器。實際應用：測量壓力、差壓、絕對壓力、高壓差、微差實際應用：測量壓力、差壓、絕對壓力、高壓差、微差壓和高靜壓等。壓和高靜壓等。特點：結(jié)構(gòu)簡單，非接觸測量、靈敏度高，動態(tài)響應好，特點：結(jié)構(gòu)簡單，非接觸測量、靈敏度高，動態(tài)響應好，可在惡劣環(huán)境下工作

3、。可在惡劣環(huán)境下工作。4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為如果不考慮邊緣效應，其電容量為0rAACdd 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 式中：式中： 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)， = = 0 0 r r ，其中其中 0 0為真空介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)， r r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； A A兩平行板正對面積；兩平行板正對面積； d d兩平行板之間的距離。兩平行板之間的距離。 如果保持其

4、中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3 3種。種。 0rAACdd 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 圖4-1 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器4.1.1 4.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 1.變極距型電容式傳感器變極距型電容式傳感器 (1)初始

5、電容量初始電容量 當傳感器的當傳感器的 r r=1=1且且A A為常數(shù)，為常數(shù)，初始極距為初始極距為d d0 0時，其初始電容量時，其初始電容量C C0 0為為 傳感器的輸出特性不是線傳感器的輸出特性不是線性關系，而是曲線關系。性關系，而是曲線關系。圖4-3 電容量與極板間距的關系000dAC ddAC 00(2)d減小時的電容量減小時的電容量(3)d減小時電容量的增量減小時電容量的增量 若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d d0 0縮小了縮小了d d，電容，電容量增大了量增大了C C，則有，則有傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器)()(000000000000000dddA

6、ddddAdAdAddAddACCC (4)d減小時電容量的相對變化量減小時電容量的相對變化量)/11()(1)(00000000000000dddddddAddddAddAdddAdCC 近似近似(線性化線性化)處理：處理：00ddCC 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器(5)變極距型電容式傳感器的靈敏度變極距型電容式傳感器的靈敏度 000011/dddddCCK 可見，靈敏度可見，靈敏度K0與初始間隙成反比關系。與初始間隙成反比關系。 欲提高欲提高K0 ,應減小極板間距離應減小極板間距離,但存在電容器擊穿的問題。但存在電容器擊穿的問題。(6) 電容量相對變化量的冪級數(shù)展開式電容量相對變化量

7、的冪級數(shù)展開式302000000111dddddddd)d/d(ddCC， 則則 32111xxxx：應應用用冪冪級級數(shù)數(shù)展展開開式式(7) 傳感器的非線性誤差傳感器的非線性誤差%100)1(00000 ddddddddddL 可見，欲減小非線性誤差，需增大初始極板間距離可見，欲減小非線性誤差，需增大初始極板間距離d0。結(jié)論結(jié)論:提高該傳感器的靈敏度與減小非線性誤差是相互矛盾的。提高該傳感器的靈敏度與減小非線性誤差是相互矛盾的。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器(8)(8)差分變極距型電容式傳感器差分變極距型電容式傳感器設；動極板上移，設；動極板上移，d d1 1=d=d0 0- -d d，C

8、 C1 1增加；增加；d d2 2=d=d0 0+ +d d，C C2 2減小。減小。1)/11(1)/11(30200000023020000001 ddddddddddddCC，ddddddddddddCC，而而則則差分變極距型電容式傳感器的電容相對變化量為：差分變極距型電容式傳感器的電容相對變化量為：4020030200302000020102101211ddddddddddddddddddddCCCCCCCCC 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器近似近似(線性化線性化)處理：處理：002ddCC 差分變極距型電容式傳感器的靈敏度差分變極距型電容式傳感器的靈敏度 0000221/dddd

9、dCCK 差分變極距型傳感器的非線性誤差差分變極距型傳感器的非線性誤差%10022122000200 ddddddddddL 可見，與單電容傳感器相比，對相同的初始極板間距離可見，與單電容傳感器相比，對相同的初始極板間距離d0 ，非線性誤差大大減小。非線性誤差大大減小。 結(jié)論：該傳感器采用差分型式后，靈敏度提高，線性變結(jié)論：該傳感器采用差分型式后，靈敏度提高，線性變好。但沒有根本解決靈敏度和線性度的相互矛盾。好。但沒有根本解決靈敏度和線性度的相互矛盾。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 此時此時C C與與d d近似呈線性關系，在近似呈線性關系，在d d0 0較小時，對于同較小時，對于同樣的樣的

10、d d變化所起的變化所起的C C可以增大，從而使傳感器靈敏度可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。提高。但但d d0 0過小，容易引起電容器擊穿或短路。過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作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)。介質(zhì)。 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7 7倍，其擊穿電壓倍，其擊穿電壓不小于不小于1000kV/mm1000kV/mm，而空氣僅為，而空氣僅為3kV/mm3kV/mm。因此有了云母。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。在微位移測量中應用片，極板間起始距離可大大減小。在微位

11、移測量中應用最廣。最廣。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器4.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 1.線性位移電容傳感器線性位移電容傳感器(1)初始電容初始電容設，極板間為空氣介質(zhì)，忽略邊設，極板間為空氣介質(zhì)，忽略邊緣效應。則緣效應。則 abAC000 (2)電容的變化量電容的變化量 當極板移動當極板移動x，則，則xbCxbabxabC 00000)(xbCxbCCCC 00000變化量變化量C：傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器(3)靈敏度靈敏度K0 bxCK00 由上式可見，由上式可見，K0 是常數(shù)，具有線性輸出是常數(shù)，具有線性輸出特性。特性。 實際上，由于邊緣效應，存在非線

12、性。實際上，由于邊緣效應，存在非線性。(4)差分式電容式傳感器差分式電容式傳感器1）傳感器輸出）傳感器輸出C=C1-C22）可提高靈敏度，改善非線性。）可提高靈敏度，改善非線性。圖圖4-6 電容式角位移電容式角位移傳感器原理圖傳感器原理圖 2.2.電容式角位移傳感器電容式角位移傳感器 當動極板有一個角位移當動極板有一個角位移 時，與定極時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當動極板轉(zhuǎn)動變了兩極板間的電容量。當動極板轉(zhuǎn)動 時，則時，則0 r0000(1)ACCCd 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 4.1.3 4.1.3 變介質(zhì)

13、型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器1.1.原理原理 設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為 1 1，液，液面高度為面高度為h h，變換器總高度為，變換器總高度為H H，內(nèi)筒，內(nèi)筒外徑為外徑為d d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D D，此時變換器，此時變換器電容值為電容值為022()2()2)2InInInInInhhhhHCCDDDDDddddd 圖4-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖變換決電0 022H H其其中中C=由C=由器器的的基基本本尺尺寸寸定定的的初初始始容容值值o oD DInInd d可見，變換器的電容增量正比于液面高度為可見，變換器的電容增量正比于液面高度為h h。傳感器與檢測

14、技術(shù)第4章電容式傳感器 2 2、應用、應用 用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)的濕度。食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)的濕度。圖4-8 變介質(zhì)型電容式傳感器。L;bL:dL)LL(bCCCrr的的長長度度第第二二種種介介質(zhì)質(zhì)進進入入極極板板間間極極板板的的長長度度和和寬寬度度和和式式中中0002010021 可見，被測介質(zhì)可見，被測介質(zhì)r2r2進入極板間的深度進入極板間的深度L L會引起傳感會引起傳感器的電容量變化。器的電容量變化。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器幾種常用的電介質(zhì)材料的相對介電常

15、數(shù)為幾種常用的電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)為 r：傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器4.2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 4.2.1 4.2.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時。振蕩器的振蕩頻率部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。就發(fā)生變化。12fLC 式中：式中：L L振蕩回路的電感；振蕩回路的電感；C C振蕩回路的總振蕩回路的總電容，電容，C C= =C C1 1+ +C C2 2+ +C Cx x，其中，其中C C1 1為振蕩回路固

16、有電容，為振蕩回路固有電容，C C2 2為傳為傳感器引線分布電容，感器引線分布電容，C Cx x= =C C0 0C C為傳感器的電容。為傳感器的電容。 圖圖4-9 4-9 調(diào)頻式測量電路原理圖調(diào)頻式測量電路原理圖 調(diào)頻式測量電路調(diào)頻式測量電路原理框圖如圖所示。原理框圖如圖所示。圖中調(diào)頻振蕩器的振圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為蕩頻率為傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 當被測信號不為當被測信號不為0 0時，時，C C00，振蕩器頻率有相，振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為應變化，此時頻率為 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至以測量高至0.0

17、10.01 m m級位移變化量。級位移變化量。 012012()fffCCCC L 012012()fCCCL 當被測信號為當被測信號為0 0時，時，C C=0=0，則，則C C= =C C1 1+ +C C2 2+ +C C0 0，振蕩器有，振蕩器有一個固有頻率一個固有頻率f f0 0為為 傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 4.2.2 4.2.2 運算放大器式電路運算放大器式電路 由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Z Zi i很高，運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比很高，運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量

18、電路。較理想的測量電路。圖圖4-10 4-10 運算放大器式運算放大器式電路原理圖電路原理圖1.電路組成電路組成2.工作原理工作原理 對反相輸入端，考慮對反相輸入端，考慮“虛地虛地”，有以下電流關系：有以下電流關系：IxIxICCxCxCIuCCuCjCjuXX，uXuXu 1100即即傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器du，、S、CudSCuu,d/SCIIx 00則則為為常常值值如如果果保保持持有有若若設設 如果傳感器是一只平板電容，則如果傳感器是一只平板電容，則式中：式中：“”號表示輸出電壓號表示輸出電壓U U0 0的相位與電源電壓反相。的相位與電源電壓反相。 運算放大器的輸出電壓運算放

19、大器的輸出電壓U U0 0與極板間距離與極板間距離d d成線性關系。成線性關系。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 4.2.3 4.2.3 二極管雙二極管雙T T形交流電橋形交流電橋1 1、當傳感器沒有輸入時，、當傳感器沒有輸入時，C C1 1= =C C2 2。 其電路工作原理如下：其電路工作原理如下： 當當e e為正半周時，二為正半周時，二極管極管VDVD1 1導通、導通、VDVD2 2截止，于截止，于是電容是電容C C1 1充電，在隨后負半充電，在隨后負半周出現(xiàn)時，電容周出現(xiàn)時，電容C C1 1上的電荷上的電荷通過電阻通過電阻R R1 1，負載電阻，負載電阻R RL L放放電，流過電，流

20、過R RL L的電流為的電流為I I1 1。圖4-11 二極管雙T形交流電橋（a）電路原理圖；（b）高頻電源正半周等效電路圖；（c）高頻電源負半周等效電路圖 當當e e為負半周時，為負半周時，VDVD2 2導通、導通、VDVD1 1截止，則電容截止，則電容C C2 2充電，在隨后出現(xiàn)正半充電，在隨后出現(xiàn)正半周時，周時，C C2 2通過電阻通過電阻R R2 2，負載，負載電阻電阻R RL L放電，流過放電，流過R RL L的電流的電流為為I I2 2。 根據(jù)上面所給的條件，則電流根據(jù)上面所給的條件，則電流I I1 1= =I I2 2，且方向相反，在，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過一個周期內(nèi)流過R

21、 RL L的平均電流為零。的平均電流為零。此處不連接此處不連接傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 2 2、若傳感器輸入不為、若傳感器輸入不為0 0，則，則C C1 1C C2 2，I I1 1I I2 2，此時在一，此時在一個周期內(nèi)通過個周期內(nèi)通過R RL L上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為LoLL12LL1220L(2)1( )( ) d()()TR RRUI RI tIttRR Uf CCTRR 若若 則輸出電壓可改寫為則輸出電壓可改寫為 U Uo o= =UfMUfM( (C C1 1C

22、C2 2) ) 輸出電壓輸出電壓U Uo o不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與T T形網(wǎng)絡中電容形網(wǎng)絡中電容C C1 1和和C C2 2的差值有關。故可用來測量高速的的差值有關。故可用來測量高速的機械運動。機械運動。LL2L(2)()R RRRMRR傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器4.3 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用4.3.1 4.3.1 電容式油量表電容式油量表 （1）當油箱中無油時，）當油箱中無油時，電容傳感器的電容量電容傳感器的電容量Cx =Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R4=R3；并使調(diào)并使調(diào)零電位器零電位器RP的滑

23、動臂位的滑動臂位于于0點，即點，即RP的電阻值的電阻值為為0。此時，此時，電橋滿足電橋滿足Cx /C0=R4 /R3的平衡條件，的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電電橋輸出為零，伺服電動機不轉(zhuǎn)動，油量表指動機不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角針偏轉(zhuǎn)角 =0。圖4-15 電容式油量表1油箱；2圓柱形電容器；3伺服電動機；4減速箱；5油量表傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 （2）當油箱中注滿）當油箱中注滿油時，液位上升至油時，液位上升至h處，處，Cx=Cx0+ Cx，而，而 Cx與與h成正比，此時電橋失去成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電動機，

24、再由減速箱減速動機，再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動同時帶動RP的滑動臂移的滑動臂移動，從而使動，從而使RP阻值增大，阻值增大，Rcd =R3+RP也隨之增大。也隨之增大。當當RP阻值達到一定值時，阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀電橋又達到新的平衡狀態(tài)，態(tài)，Uo=0，于是伺服電，于是伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在動機停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為轉(zhuǎn)角為處。處。圖4-15 電容式油量表1油箱；2圓柱形電容器；3伺服電動機；4減速箱；5油量表傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 （3）由于指針及可變電阻的）由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電動機所帶滑動臂同時為伺服電動

25、機所帶動，因此，動，因此，RP的阻值與的阻值與 間存間存在著確定的對應關系，在著確定的對應關系，即即正正比于比于RP的阻值，而的阻值，而RP的阻值的阻值又正比于液位高度又正比于液位高度h，因此可，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度直接從刻度盤上讀得液位高度h。（4）當油箱中的油位降低時，）當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)(示值減小示值減小)，同時帶動，同時帶動RP的滑動臂移動，使的滑動臂移動，使RP阻值減阻值減小。當小。當RP阻值達到一定值時，阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機再次，于是伺服

26、電動機再次停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液位相停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液位相對應的轉(zhuǎn)角對應的轉(zhuǎn)角處。處。 圖4-15 電容式油量表1油箱；2圓柱形電容器；3伺服電動機；4減速箱；5油量表傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器?；囊环N傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡可非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。劣條件下工作。廣泛應用于壓力、差壓、液位、振動、廣泛應用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面測量。位移、加速度、成分含量等多方面測量。隨著電容測隨著電容測量技術(shù)的迅速發(fā)展，電容式傳感器在非電量測量和自量技術(shù)的迅速發(fā)展，電容式傳感器在非電量測量和自動檢測中得到了廣泛的應用。動檢測中得到了廣泛的應用。傳感器與檢測技術(shù)第4章電容式傳感器 同同 步步 練練 習習 4-1 根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？根據(jù)工作原理可