第三章 電容傳感器.

1、目錄目錄先認(rèn)識電容式傳感器先認(rèn)識電容式傳感器本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容3.1 3.1 電容式傳感器工作原理和類型電容式傳感器工作原理和類型(1)(1)變極矩式（變極矩式（2 2）變面積式（）變面積式（3 3）變介電常數(shù)式）變介電常數(shù)式3.2 3.2 電容式傳感器主要特性電容式傳感器主要特性(1)(1)變極矩型（變極矩型（2 2）變面積式（）變面積式（3 3）變介電常數(shù)式）變介電常數(shù)式3.3 3.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路3.4 3.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路（1 1）交流電橋（）交流電橋（2 2）變壓器電橋變壓器電橋（3）二極管雙二極管雙T T型電路型

2、電路（4）差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路（5）運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路3.5 3.5 主要性能和設(shè)計要點(diǎn)主要性能和設(shè)計要點(diǎn)（1 1）主要性能（）主要性能（2 2）設(shè)計要點(diǎn)）設(shè)計要點(diǎn)3.6 3.6 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（）電容式料位計（2 2）電容式壓力傳感器（）電容式壓力傳感器（3 3）電容測厚儀）電容測厚儀（4 4）電容測位移）電容測位移 （5 5）智能型電容傳感器（）智能型電容傳感器（6 6）電容式接近開關(guān)）電容式接近開關(guān)掌握電容傳感器工作原理和類型 掌握電容傳感器輸出特性，即傳感器的輸入輸出特性；熟悉電容式傳感器的主要測量電路，能對

3、電路進(jìn)行分析；了解電容式傳感器的設(shè)計要點(diǎn)了解電容式傳感器的應(yīng)用舉例 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認(rèn)識各種電容式傳感器認(rèn)識各種電容式傳感器硅微電容式傳感器硅微電容式傳感器測量管道液位高度測量管道液位高度認(rèn)識各種電容式傳感器認(rèn)識各種電容式傳感器3.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型0 0：真空介電常數(shù)：真空介電常數(shù) r:r:：極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)：極板間介質(zhì)相對介電常數(shù) ：極板間距離：極板間距離 s s ：極板面積：極板面積 sC3.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型(1)(1)變極距型傳感器變極距型傳感器3

4、.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(2)(2)變面積型傳感器變面積型傳感器3.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型(3)(3)變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器3.2 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 初始電容初始電容 當(dāng)當(dāng) 減小減小 時時 電容電容 C C 增加增加 C0 C CC0sCssCr00CCC0關(guān)系曲線過程C電容相對變化電容相對變化 3.2 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（ ） cSddck200000011CCCsC傳感器靈敏度傳感器靈敏度:3.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出

5、特性 1 1 變極距型（變極距型（ ）03.2 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（ ） 相對非線性誤差為相對非線性誤差為 結(jié)論：結(jié)論： 差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍; ; 非線性誤差減小非線性誤差減小. .%100)(20L 2000021CC 3.2 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)動極板移動平板電容：當(dāng)動極板移動X X后兩極板間電容量為：后兩極板間電容量為：初始電容初始電容電容的相對變化量電容的相對變化量 xbCxabC0)(abCbaxxbCCC

6、03.2 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； 適合大位移測量。適合大位移測量。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度bxCK3.3.2 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（） vd d不變，不變， 改變，如：測量糧食、紡織品、木材或改變，如：測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。v不變，不變，d d改變，如：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度改

7、變，如：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度d0 rs氣隙氣隙rrddsddSC0003.2 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（ ） 測液位高度測液位高度 1 1：液體介質(zhì)的介電常數(shù)：液體介質(zhì)的介電常數(shù)0 0: : 空氣的介電常數(shù)；空氣的介電常數(shù)； H: H: 電極板的總長度；電極板的總長度；d d 、 D D：電極板的內(nèi)、外徑；：電極板的內(nèi)、外徑；dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21RpRCLCRC：串聯(lián)損耗電阻。引線電阻、金屬極板電阻等。Rp：并聯(lián)電阻。直流漏電阻、氣隙介質(zhì)損耗等。L：電容器及引線電感。v電容傳感器測量必須在同樣條件

8、下進(jìn)行。電容傳感器測量必須在同樣條件下進(jìn)行。v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。傳感器有效電容計算：cjLjcje11LCCCe21222211LCkLCcCke3.3 等效電路等效電路CeReLreCe（1）交流電橋）交流電橋3.4 測量電路測量電路14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ03241ZZZZ4321ZZZZ平衡條件為（2）變壓器電橋）變壓器電橋等效電路圖ECCCCUsc2121說明：vZ時，U=f(），成線性關(guān)系vUSC與USr有關(guān)，所以必須交流穩(wěn)壓。v需要放大、解調(diào)、濾波。E1E2C1C2I1I2IfZf3.4 測量電路

9、測量電路（3 3）二極管雙）二極管雙T T形電路形電路電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50的方波。C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+iC1iC2iC1iC2當(dāng) UE為正半周時, 二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止, 于是電容C1充電; 在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時, 電容C1上的電荷通過電阻R, 負(fù)載電阻RL放電, 流過RL的電流為 。在負(fù)半周內(nèi), VD2導(dǎo)通、VD1截止, 則電容C2充電; 在隨后出現(xiàn)正半周時, C2通過電阻R, 負(fù)載電阻RL放電, 流過RL的電流為 。 根據(jù)上面所給的條件, 則電流 = , 且方向

10、相反, 在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。1ci2ci1ci2ci3.4 測量電路測量電路同理，負(fù)半周時電容C1的平均電流: 在R（RRL）/（RRL）C2T/2時,電流iC2的平均值IC2可以寫成下式： 22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為： 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL電容C2上的電流：電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；線路簡單，可全部放在探

11、頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。 （4 4）差動脈沖調(diào)寬電路）差動脈沖調(diào)寬電路 又稱差動脈寬差動脈寬( (脈沖寬度脈沖寬度) )調(diào)調(diào)制電路制電路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。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

12、VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路G3.4 測量電路測量電路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U0UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBAUA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2 分別為C1和C2的充電時間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為 rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln設(shè)R1R

13、2R，則 rUCCCCU21210結(jié)論：結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。Ur觸發(fā)器的參考電壓。（5 5）運(yùn)算放大器式電路）運(yùn)算放大器式電路特點(diǎn)：能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。將Cx = 代入上式得 -AuoCCxu運(yùn)算放大器式 電路原理圖負(fù)號表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu03.4 測

14、量電路測量電路3.5 主要性能和設(shè)計要點(diǎn)（一）（一） 主要性能主要性能1 1、 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度于變極距型其靜態(tài)靈敏度k kg g為為 /110CCKg對于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為：120/ln2rrlClCkg變面積型差動式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為121212/ln4/ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg結(jié)論： 1.變極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)（1cm至零點(diǎn)幾mm），而且最大應(yīng)小于極板間

15、距的1/51/10。只有當(dāng)(/ PLPH PL時，膜片時，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 3.63.6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3.6 3.6 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電容測厚儀電容測厚儀 電容測厚儀用于測量金電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚屬帶材在軋制過程中的厚度變化。度變化。 帶材是電容的動極板，帶材是電容的動極板，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 時帶 材 只 是 上 下 波 動 時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。 3.6 3.6 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電容測位移電容測位移 3.63.6電容式