第五章 電容式傳感器

1、 第第5 5章章 電容式傳感器電容式傳感器 5.1 5.1 電容式傳感器電容式傳感器 5.1.1 5.1.1 基本基本工作原理工作原理 5.1.2 5.1.2 電容式傳感器的線性及靈敏度電容式傳感器的線性及靈敏度 5.2 5.2 電容式傳感器的輸出電路及等效電路電容式傳感器的輸出電路及等效電路 5.2.1 5.2.1 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 5.2.2 5.2.2 電容式傳感器的輸出電路電容式傳感器的輸出電路 5.3 5.3 影響電容傳感器精度的因素及提高精影響電容傳感器精度的因素及提高精 度的措施度的措施 5.3.1 5.3.1 邊緣效應(yīng)的影響邊緣效應(yīng)的影響 5.3.2

2、 5.3.2 寄生電容的影響寄生電容的影響 5.3.3 5.3.3 溫度的影響溫度的影響 5.4 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.4.1 5.4.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 5.4.2 5.4.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 5.4.3 5.4.3 電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器 5.4.4 5.4.4 振動、位移測量儀振動、位移測量儀 5.4.5 5.4.5 電容測厚傳感器電容測厚傳感器1 概念概念: :電容式傳感器是將被測電容式傳感器是將被測非電量非電量的變化的變化 轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 位移、加速度、液位、振

3、動及濕度等。位移、加速度、液位、振動及濕度等。 ：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、發(fā)熱：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、發(fā)熱小、適合非接觸測量。小、適合非接觸測量。X2 5.15.1電容式傳感器電容式傳感器 5.1.15.1.1基本工作原理基本工作原理 電容式傳感器是一個具有電容式傳感器是一個具有可變參數(shù)可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場的電容器。多數(shù)場合下，電容是由兩個金屬平行極板組成，并且以空氣為介合下，電容是由兩個金屬平行極板組成，并且以空氣為介質(zhì)，如圖質(zhì)，如圖5.15.1所示。兩個平行板組成的電容器的電容量為所示。兩個平行板組成的電容器的電容量為: :dAC/dAr/0 A dX3 當(dāng)被測參數(shù)變化使得式

4、中的當(dāng)被測參數(shù)變化使得式中的A,A,或或 d d發(fā)生變化時發(fā)生變化時, , 電電容量容量C C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, , 而而 僅改僅改變其中一個參數(shù)變其中一個參數(shù), , 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化化, , 通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 變換參數(shù)不同，電容式傳感器可分為：變換參數(shù)不同，電容式傳感器可分為： 變極距型、變面積型和變介質(zhì)型變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。三種類型。 改變平行極板間距改變平行極板間距d d 的傳感器可以測量的傳感器可以測量微米級微米

5、級的位移；的位移； 變化面積變化面積A A 的傳感器則適用于測量的傳感器則適用于測量厘米級厘米級的位移，的位移， 變介電常數(shù)式電容式傳感器適用于變介電常數(shù)式電容式傳感器適用于液面、厚度液面、厚度的測量。的測量。X4 變極距變極距(d)(d)型型: (a): (a)、(e) (e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b): (b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g) (g) （h h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )( )型型: : （i i）(l) (l) X5 5.1.2 5.1.2電容式傳感器的線性及靈敏度電容式傳感器的線性及靈敏度 1. 1.變極距（間距）型變極距（間距）型

6、電容傳感器電容傳感器 1 11 2 2 23 d d d d 0 d0 ddCC0 CX1定極板；2動極板，與被測體相連dAC/雙曲線6 極板面積為極板面積為A A，初始距離為，初始距離為d d0 0，以空氣為介質(zhì)（，以空氣為介質(zhì)（e er r=1=1），電容器的電容為），電容器的電容為 若電容器極板距離初始值若電容器極板距離初始值 d d0 0減小減小d d，其電容量增加，其電容量增加C C，即，即 由上式，電容的相對變化量為由上式，電容的相對變化量為 000dAC0000011ddCddACC1000)1(ddddCCX7 ，按冪級數(shù)展開得按冪級數(shù)展開得: : 略去非線性項(xiàng)（高次項(xiàng)），略去

7、非線性項(xiàng)（高次項(xiàng)），則得近似的線性關(guān)系式則得近似的線性關(guān)系式 電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度為 電容式傳感器靈敏度系數(shù)電容式傳感器靈敏度系數(shù)K K的物理意義是：的物理意義是：單位位移引起單位位移引起 的電容量的相對變化量的大小的電容量的相對變化量的大小。 1/0dd 30200001ddddddddCC00ddCC001/ddCCKX8 略去高次項(xiàng)（非線性項(xiàng)）引起的相對非線性誤差為略去高次項(xiàng)（非線性項(xiàng)）引起的相對非線性誤差為 結(jié)論：結(jié)論：極間距越極間距越 小，既有利于提高靈敏度，又有利于小，既有利于提高靈敏度，又有利于減小非線性。減小非線性。 但但 d d0 0過小時，容易造成電容器擊

8、穿。過小時，容易造成電容器擊穿。 在實(shí)際應(yīng)用中，為提高靈敏度在實(shí)際應(yīng)用中，為提高靈敏度，減小非線性，大都采用減小非線性，大都采用差動結(jié)差動結(jié) 構(gòu)構(gòu)。 改善擊穿條件的辦法：改善擊穿條件的辦法：在極板間放置云母片等介電材料。在極板間放置云母片等介電材料。%100100000ddddddddddCCCX9 （1 1）差動變間隙式的電容傳感器）差動變間隙式的電容傳感器 在差動式電容傳感器中，其中電容器在差動式電容傳感器中，其中電容器C C1 1的電容隨位的電容隨位移移d d的減小而增大時，另一個電容器的減小而增大時，另一個電容器C C2 2的電容則隨著的電容則隨著d d的增大而減小。的增大而減小。 1

9、0011ccdd00211ddccX10 它們的特性方程分別為它們的特性方程分別為 總的電容變化量總的電容變化量 電容的相對變化量為電容的相對變化量為 略去高次項(xiàng)略去高次項(xiàng), ,近似成線性關(guān)系近似成線性關(guān)系30200011ddddddCC30200021ddddddCC30002122ddddCCCC 40200012ddddddCC002ddCCX11 差動電容式傳感器的靈敏系數(shù)為差動電容式傳感器的靈敏系數(shù)為: : 差動電容式傳感器的相對非線性誤差近似為差動電容式傳感器的相對非線性誤差近似為: 結(jié)論：結(jié)論：差動式比單極式靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。差動式比單極式靈敏度提高一倍，非線性誤差

10、減小。 結(jié)構(gòu)上的對稱性，能有效結(jié)構(gòu)上的對稱性，能有效補(bǔ)償溫度補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。變化所造成的誤差。002 ddCCK%1002220030 ddddddX12 （2 2）固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器 減小極間隙可提高靈敏度，但易擊穿。為此，經(jīng)常在兩減小極間隙可提高靈敏度，但易擊穿。為此，經(jīng)常在兩極板間加一層極板間加一層云母或塑料等介質(zhì)云母或塑料等介質(zhì)，以改變電容的耐壓性能。，以改變電容的耐壓性能。由此，構(gòu)成固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器。由此，構(gòu)成固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器。 由關(guān)系由關(guān)系 , , , ,固定介質(zhì) 2 定極板 動極板 空氣 0=1 d2

11、 d12121CCCCC1101dAC2202dAC2210ddACX13 當(dāng)空氣隙減小當(dāng)空氣隙減小 ，使電容增加，使電容增加 ，有，有 電容的相對變化量為電容的相對變化量為 當(dāng)當(dāng)N N1 1d d1 1/ /（d d1 1+ +d d2 2） 11，隨厚，隨厚度比度比d d2 2/ /d d1 1增加，增加，N N1 1增加。在增加。在d d2 2/ /d d1 1很大時，很大時，N N1 1的極限為的極限為2 2，在，在d d2 2/ /d d1 1不不變時，隨變時，隨2 2增加，增加，N N1 1增加。增加。 應(yīng)用：應(yīng)用： 空氣的擊穿電壓為空氣的擊穿電壓為3KV/mm3KV/mm，云母片

12、的擊穿電壓，云母片的擊穿電壓1000KV/mm1000KV/mm。 因此，加云母片，極板間的起始距離可大大減小。因此，加云母片，極板間的起始距離可大大減小。 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 d2/d12=102=5 8 6 4 2X16221211/ddddN 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用 變極間距離型電容傳感器的起始電容變極間距離型電容傳感器的起始電容20100pF； 極板間距在極板間距在25200m; 最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/10； 因此，在微位移中應(yīng)用廣泛。因此，在微位移中應(yīng)用廣泛。17 1 1 211 2 223(a)(b)(c)(d)X18優(yōu)點(diǎn)：

13、優(yōu)點(diǎn)： 測量范圍大，可測量大范圍的線位移、角位移。測量范圍大，可測量大范圍的線位移、角位移。1定極板；2動極板，與被測體相連 板狀線位移變面積型板狀線位移變面積型X19 極板起始覆蓋面積為極板起始覆蓋面積為A A = = a ab b，沿活動極板寬度方向移，沿活動極板寬度方向移動動a a，則改變了兩極板間覆蓋的面積，則改變了兩極板間覆蓋的面積 （1 1）線位移式電容傳感器）線位移式電容傳感器 極板起始覆蓋面積為極板起始覆蓋面積為A A = = a ab b，沿活動極板寬度方向移動，沿活動極板寬度方向移動a a，則改，則改變了兩極板間覆蓋的面積，忽略邊緣效應(yīng)，改變后的電容量為變了兩極板間覆蓋的面

14、積，忽略邊緣效應(yīng)，改變后的電容量為 電容的變化量為電容的變化量為 靈敏度為：靈敏度為： 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K KC C為常數(shù)，可見增加極板長度為常數(shù)，可見增加極板長度a a可提高靈敏度，而極板的起可提高靈敏度，而極板的起 始覆蓋寬度始覆蓋寬度b b與靈敏度系數(shù)與靈敏度系數(shù)K KC C無關(guān)。但無關(guān)。但b b不能太小，必須保證不能太小，必須保證b bd d，否則，否則邊緣處不均勻電場的影響將增大。邊緣處不均勻電場的影響將增大。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對移動極板的平行度要求高，稍有傾斜會導(dǎo)致極距對移動極板的平行度要求高，稍有傾斜會導(dǎo)致極距d d變化，影響測變化，影響測量精度。因此，變面積式的電容傳感器常作成

15、圓柱式的。量精度。因此，變面積式的電容傳感器常作成圓柱式的。 adbCdaabC0)(aaCadbCCC0aaCCK1/0CX20 同心圓筒形線位移電容式傳感器同心圓筒形線位移電容式傳感器X21 （2）圓柱式線位移電容傳感器圓柱式線位移電容傳感器 在不計(jì)邊緣效應(yīng)影響時，圓柱式的電容器在不計(jì)邊緣效應(yīng)影響時，圓柱式的電容器 的電容量為的電容量為: : 式中式中 l l 外圓柱筒與內(nèi)圓柱重疊部分長度外圓柱筒與內(nèi)圓柱重疊部分長度； r r2 2外圓柱內(nèi)徑；外圓柱內(nèi)徑； r r1 1內(nèi)圓柱外徑。內(nèi)圓柱外徑。12ln2rrlCX22 動極（圓柱）沿軸線移動動極（圓柱）沿軸線移動L L時，電容的變化量為時，

16、電容的變化量為: : （5-245-24） 若采用若采用差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)，動極向上移動，動極向上移動l l，則上面部分的電容量，則上面部分的電容量C Ca a增加，增加，下面部分的電容量下面部分的電容量C Cb b減少，使輸出為差動形式，有減少，使輸出為差動形式，有: : （5-255-25） 結(jié)論：結(jié)論：采用差動式結(jié)構(gòu)，電容變化量增加一倍，則靈敏度也提高一倍。采用差動式結(jié)構(gòu)，電容變化量增加一倍，則靈敏度也提高一倍。llCrrlC)/ln(212llCrrllrrllCCC2)/ln()(2)/ln()(21212baX23 角位移變面積型角位移變面積型X24 (3)(3)角位移式電容傳感器角

17、位移式電容傳感器 設(shè)兩半圓極板重合時，電容量為設(shè)兩半圓極板重合時，電容量為: : 動極動極2 2轉(zhuǎn)過角，電容量變?yōu)檗D(zhuǎn)過角，電容量變?yōu)? : 則有電容變化量為則有電容變化量為: : 則靈敏度系數(shù)為則靈敏度系數(shù)為: :drdSC22CCdSdrC)/1 (2)(2CCCC1/CCCKX25結(jié)論：變面積式電容傳感器不論被測量是線位移還是角位移，位移與結(jié)論：變面積式電容傳感器不論被測量是線位移還是角位移，位移與輸出電容都為線性關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），輸出電容都為線性關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），傳感器靈敏系數(shù)為常數(shù)傳感器靈敏系數(shù)為常數(shù)。 結(jié)論：結(jié)論：變面積式電容傳感器不論被測量是線位移還是角位變面積式電容傳感器

18、不論被測量是線位移還是角位移，位移與輸出電容都為移，位移與輸出電容都為線性關(guān)系線性關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），（忽略邊緣效應(yīng)），傳感器靈敏系數(shù)為傳感器靈敏系數(shù)為常數(shù)常數(shù)。X26aaCadbCCC0aaCCK1/0CllCrrlC)/ln(212CCCC1/CCCK0C/2CCKll線位移式電容傳感器：線位移式電容傳感器：圓柱式線位移電容傳感器：圓柱式線位移電容傳感器：角位移式電容傳感器：角位移式電容傳感器： 3變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器 厚度為厚度為d d2 2的介質(zhì)（介電常數(shù)為的介質(zhì)（介電常數(shù)為e e2 2）在電容器中移動時，電容器中）在電容器中移動時，電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)

19、（總值）改變使電容量改變，于是可用來測量位移介質(zhì)的介電常數(shù)（總值）改變使電容量改變，于是可用來測量位移x x。有有 ， ，無介質(zhì)，無介質(zhì)e e2 2時，有時，有 當(dāng)介質(zhì)當(dāng)介質(zhì)e e2 2移進(jìn)電容器中移進(jìn)電容器中x x長度時，有長度時，有BACCC21ddddblC/10 d1 x l CACB x d22211AddbxC1B/1)(dxlbCX27 設(shè)式中設(shè)式中 ， 則有則有 。 A A是常數(shù)，電容量是常數(shù)，電容量C C與位移量與位移量x x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。實(shí)際上，由于邊緣效應(yīng)將有非線性，為此，使靈敏度下降。實(shí)際上，由于邊緣效應(yīng)將有非線性，為此，使靈敏度下降。 變介電常數(shù)式電容傳感器

20、變介電常數(shù)式電容傳感器中的極板間存在導(dǎo)電物質(zhì)，中的極板間存在導(dǎo)電物質(zhì)，極板表面應(yīng)涂極板表面應(yīng)涂絕緣層絕緣層，防止極板短路，如涂厚度，防止極板短路，如涂厚度為為0.1mm0.1mm的的聚四氟乙烯薄膜。聚四氟乙烯薄膜。xdddlCCdddlxdCCdddbxdblC1111221100122120012211111211ddlAAxCC10X28 5.2 5.2 電容式傳感器的輸出電路及等效電路電容式傳感器的輸出電路及等效電路 5.2.15.2.1等效電路等效電路 以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。的。若電容傳感器在

21、高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作時，不能忽若電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作時，不能忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響，其等效電路如圖所示。視其附加損耗和電效應(yīng)影響，其等效電路如圖所示。 C C傳感器電容；傳感器電容； Rp Rp低頻損低頻損 耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗； R R高濕、高溫、高頻激勵時的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、高濕、高溫、高頻激勵時的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、 極板間和金屬支座等損耗電阻；極板間和金屬支座等損耗電阻； L L電容器及引線電感；電容器及引線電感； L B A RP R CX29 當(dāng)不考慮當(dāng)不考慮R RP P

22、（電源頻率（電源頻率MHzMHz，且電源的頻率為，且電源的頻率為1/31/21/31/2的諧振頻率）時，的諧振頻率）時，有有: : （5-325-32） 式中式中 C Ce e傳感器的等效電容；傳感器的等效電容； w w電源角頻率（電源角頻率（w w=2=2f f）。）。 由于傳感器自身的電容量（包括寄生電容）很小，電源頻率又很由于傳感器自身的電容量（包括寄生電容）很小，電源頻率又很高（幾兆赫），故容抗（高（幾兆赫），故容抗（1/j1/jwCwC）很大，相比之下，電阻）很大，相比之下，電阻R R的影響可忽略，的影響可忽略，則有則有: : （5-335-33） 有效電容的增量為微分有效電容的增量

23、為微分: : （5-345-34）RCLCj1jj1eLCCC2e122e)1 (LCCCX30 有效電容的相對變化量為有效電容的相對變化量為: （5-35） 電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)為電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)為: （5-36） 電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)與電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)與w2lC項(xiàng)有關(guān)，隨項(xiàng)有關(guān)，隨和和L變化。變化。 電容傳感器工作與標(biāo)定的條件應(yīng)相同：電源頻率不變，引線長度不能改變。電容傳感器工作與標(biāo)定的條件應(yīng)相同：電源頻率不變，引線長度不能改變。 引線長度改變引線長度改變需對電容式傳感器的有效靈敏度重新標(biāo)定。上面各式的成立條件需對電容式傳感器的有效靈敏度重新標(biāo)定。上面各式的

24、成立條件為電源頻率在為電源頻率在兆赫兆赫左右，此時有效靈敏度系數(shù)高于電容器本身的靈敏度系數(shù)。左右，此時有效靈敏度系數(shù)高于電容器本身的靈敏度系數(shù)。LCCCCC2ee11LCKdCCK2ceee1/X31 5.2.25.2.2 電容式傳感器的輸出電路電容式傳感器的輸出電路 電容式傳感器的電容式傳感器的電容值以及電容變化值電容值以及電容變化值都十分微小都十分微小, , 這樣微這樣微小的電容量不能直接為目前的儀表顯示、小的電容量不能直接為目前的儀表顯示、 也很難記錄下來、不也很難記錄下來、不便于傳輸。便于傳輸。 因此，須借助于因此，須借助于測量電路測量電路檢出檢出微小電容增量微小電容增量, , 并將其

25、轉(zhuǎn)換成并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。 電容轉(zhuǎn)換電路類型：電容轉(zhuǎn)換電路類型：調(diào)幅電路調(diào)幅電路 調(diào)頻電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路等。脈沖寬度調(diào)制電路等。X32 1.1.交流電橋交流電橋( (調(diào)幅電路）調(diào)幅電路） 將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂( (另一個臂為固定電容另一個臂為固定電容) )或或兩個相鄰臂兩個相鄰臂, ,另兩個臂可以是電阻、電容、電感，也可是變壓器的兩個另兩個臂可以是電阻、電容、電感，也可是變壓器的兩個二次線圈。

26、二次線圈。 另兩個臂是另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋的優(yōu)點(diǎn)：緊耦合電感臂的電橋的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、穩(wěn)定性高、寄靈敏度高、穩(wěn)定性高、寄生電容小、簡化了電橋的屏蔽和接地，適合高頻電源下工作。生電容小、簡化了電橋的屏蔽和接地，適合高頻電源下工作。 變壓器式電橋優(yōu)點(diǎn)：變壓器式電橋優(yōu)點(diǎn)：使用元件最少、橋路內(nèi)阻最小，目前采用較多。使用元件最少、橋路內(nèi)阻最小，目前采用較多。調(diào)幅電路：調(diào)幅電路： 輸出電壓輸出電壓U Uscsc的幅值與被測量成正比，這種電路稱為調(diào)幅電路。的幅值與被測量成正比，這種電路稱為調(diào)幅電路。 X33 當(dāng)交流電橋平衡時，電容傳感器起始電容量當(dāng)交流電橋平衡時，電容傳感器起始電容量C C1 1與與

27、C C2 2相等、容抗相等相等、容抗相等（忽略電容器內(nèi)阻）。即：（忽略電容器內(nèi)阻）。即： 電容傳感器工作在平衡附近，有電容變化量輸出時電容傳感器工作在平衡附近，有電容變化量輸出時C C1 1C C2 2，則，則Z Z1 1Z Z2 2，根據(jù)式根據(jù)式21ZZ 21j1j1CCddAC1ddAC2X34 次極線圈感應(yīng)電動勢為次極線圈感應(yīng)電動勢為E E，則傳感器沒工作時空載輸出電壓為，則傳感器沒工作時空載輸出電壓為 有工作時有工作時 可見電橋輸出電壓除與被測量變化可見電橋輸出電壓除與被測量變化d d有關(guān)外，還與電橋電源電有關(guān)外，還與電橋電源電壓有關(guān)，壓有關(guān)，要求電源電壓采取穩(wěn)幅和穩(wěn)頻措施要求電源電壓

28、采取穩(wěn)幅和穩(wěn)頻措施。因電橋輸出電壓幅值小，。因電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高（輸出阻抗高（MWMW級），其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。級），其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。212112121scZZZZEEZZZEEUAddCZjj111AddCZjj122ddEUscX35 2運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成反相放大器。反相放大器。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能克服變極距型電容式傳感器的非線性。能克服變極距型電容式傳感器的非線性。 由運(yùn)算放大器工作原理可知，在開環(huán)放大倍數(shù)為由運(yùn)算放大

29、器工作原理可知，在開環(huán)放大倍數(shù)為A A和輸入阻抗較和輸入阻抗較大的情況下，有大的情況下，有 若把若把C Cx x= =eSeS/ /d d代入代入 式中，負(fù)號表示輸出電壓式中，負(fù)號表示輸出電壓u uscsc與電源電壓與電源電壓u u相位相反。相位相反。 電路要求電路要求: :電源電壓穩(wěn)定，固定電容量穩(wěn)定，并要放大倍數(shù)與輸入電源電壓穩(wěn)定，固定電容量穩(wěn)定，并要放大倍數(shù)與輸入阻抗足夠大。阻抗足夠大。 3調(diào)頻電路調(diào)頻電路（詳見教科書）（詳見教科書） C -A電容傳感器 Cx u uscuCCuCCuxxsc/j1/j1scCduuS X36 4 4差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路 工作原理工作原理:

30、: 傳感器的電容器充放電時，電容量的變化使電路輸傳感器的電容器充放電時，電容量的變化使電路輸出的脈沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾波器得到與被測量變出的脈沖寬度隨之變化，經(jīng)低通濾波器得到與被測量變化相應(yīng)的直流信號。化相應(yīng)的直流信號。 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器濾波器ARBD2D1RU1C1GFC2ICUrICSdRdQQX37 比較器的輸出控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出比較器的輸出控制雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出提供差動電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn)。提供差動電容器的電壓。電容端的電壓控制比較器的翻轉(zhuǎn)。 設(shè)設(shè)C C1 1CC2 2,C,C1 1充電速度慢于充電速度慢于C C2 2充

31、電速度，充電速度，U UA A持續(xù)時間長于持續(xù)時間長于U UB B的持續(xù)時間。的持續(xù)時間。 UA UA UA B UA B UB UB UF UF UG UG U1 U1 U1 U1 U1 U1 U1 U1 U0 U1 U1 T1 T1 T2 T2 -U1 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t Ur 0 0 UA B A1 A2 0 + U1 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 Q Q A B R1 R2 V D1 V D2 F G C1 C2 （ a） X38 C C1 1與與C C2 2的變化由被測量變化引起。經(jīng)的變化由被測量變化引起。經(jīng)A A與與B B 兩端

32、輸出電壓兩端輸出電壓U UABAB，再經(jīng)低，再經(jīng)低 通濾波器得到一個由被測量變化決定的直流電壓通濾波器得到一個由被測量變化決定的直流電壓U Uscsc，表示為，表示為 設(shè)設(shè)R R1 1 = = R R2 2 = = R R，則有，則有結(jié)論：結(jié)論：輸出電壓與傳感器電容變化的變化量代數(shù)和成正比（輸出電壓與傳感器電容變化的變化量代數(shù)和成正比（C C1 1與與C C2 2為為 差動式）。差動式）。此電路要求：直流電源電壓穩(wěn)定性高，輸出電壓信號一般為此電路要求：直流電源電壓穩(wěn)定性高，輸出電壓信號一般為 0.10.11MHz1MHz的矩形波，再配一低通濾波器就可以得到直流信號。的矩形波，再配一低通濾波器就

33、可以得到直流信號。1212112121211BAscUTTTTUTTTUTTTUUUr11111lnUUUCRTr11222lnUUUCRT12121scUCCCCUX39 5.35.3影響電容傳感器精度的因素及提高精度的措施影響電容傳感器精度的因素及提高精度的措施 5.3.15.3.1邊緣效應(yīng)的影響邊緣效應(yīng)的影響 邊緣效應(yīng)：邊緣效應(yīng)：平板電容器的電場線，在靠近邊緣地方會彎曲，越靠邊越彎平板電容器的電場線，在靠近邊緣地方會彎曲，越靠邊越彎曲的厲害，這種現(xiàn)象叫作邊緣效應(yīng)。曲的厲害，這種現(xiàn)象叫作邊緣效應(yīng)。 邊緣效應(yīng)影響：邊緣效應(yīng)影響：使電容傳感器的靈敏度降低、產(chǎn)生非線性。使電容傳感器的靈敏度降低、

34、產(chǎn)生非線性。 消除邊緣效應(yīng)方法消除邊緣效應(yīng)方法：采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣、間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間各區(qū)有均氣上絕緣、間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間各區(qū)有均勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)影響。勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)影響。 為減小極板厚度，不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，為減小極板厚度，不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一層金屬膜作為極板。蒸涂一層金屬膜作為極板。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場123

35、3邊緣電場X40 5.3.2 5.3.2 寄生電容的影響寄生電容的影響 寄生電容寄生電容：指電感、電阻、芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來的：指電感、電阻、芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來的電容特性。電容特性。 電容式傳感器測量系統(tǒng)寄生電容的影響：主要是指電容式傳感器測量系統(tǒng)寄生電容的影響：主要是指傳感器電容極傳感器電容極板并聯(lián)的寄生電容板并聯(lián)的寄生電容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就相對大得多，使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響的方相對大得多，使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響的方法可歸納為以下幾種：法可歸納為以下幾種：

36、1.1.縮小傳感器至測量線路前置極的距離縮小傳感器至測量線路前置極的距離 將集成電路、超小型電容器應(yīng)用于測量電路?？墒共糠制骷c傳將集成電路、超小型電容器應(yīng)用于測量電路?？墒共糠制骷c傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。了。X41 2.2.驅(qū)動電纜法驅(qū)動電纜法 驅(qū)動電纜法，驅(qū)動電纜法，實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。 這種接線法使傳輸電纜的這種接線法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對內(nèi)，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。內(nèi)外屏蔽之

37、間的層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。內(nèi)外屏蔽之間的電容變成了電容變成了電纜驅(qū)動放大器的負(fù)載電纜驅(qū)動放大器的負(fù)載。 因此，驅(qū)動放大器是一種輸入很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為因此，驅(qū)動放大器是一種輸入很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1 1的的同相放大器。同相放大器。1：1測量測量電路電路前置級前置級外屏蔽層外屏蔽層內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線芯線傳感器傳感器“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖技術(shù)原理圖X42 3.3.整體屏蔽法整體屏蔽法 整體屏蔽法，整體屏蔽法，是將整個橋體（包括供電電源及傳輸電纜在內(nèi)）是將整個橋體（包括供電電源及傳輸電纜在內(nèi)）用一個統(tǒng)一屏蔽保護(hù)起來。用一個統(tǒng)一屏蔽保護(hù)起來。 公用極

38、板對地的寄生電容公用極板對地的寄生電容C C1 1只影響靈敏度，兩個寄生電容只影響靈敏度，兩個寄生電容C C3 3、C C4 4在一定程度上影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但不妨礙電橋的在一定程度上影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但不妨礙電橋的正確工作。正確工作。 因此，寄生電容對傳感器的電容的影響基本上得到了排除因此，寄生電容對傳感器的電容的影響基本上得到了排除。X43 5.3.35.3.3溫度影響溫度影響 1 1對結(jié)構(gòu)尺寸的影響對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容式傳感器極間隙很小，對結(jié)構(gòu)尺寸變化敏感。電容式傳感器極間隙很小，對結(jié)構(gòu)尺寸變化敏感。 各零件材料的膨脹系數(shù)不匹配時，溫度變化將導(dǎo)致極間隙變化較

39、各零件材料的膨脹系數(shù)不匹配時，溫度變化將導(dǎo)致極間隙變化較大，產(chǎn)生大的溫度誤差。大，產(chǎn)生大的溫度誤差。 減小溫度誤差方法：減小溫度誤差方法：盡量選取溫度系數(shù)小、溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料，如盡量選取溫度系數(shù)小、溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料，如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來又采用在電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。 2 2對介質(zhì)介電常數(shù)的影響對介質(zhì)介電常數(shù)的影響 溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣、云母的介電常數(shù)空氣、云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零。而某些液體

40、介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其溫度系數(shù)近似為零。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)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.070.07；若環(huán)境溫度變化；若環(huán)境溫度變化5050，則將帶來，則將帶來7 7的溫度誤差。的溫度誤差。 故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。X44 5.45.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器不但應(yīng)用于電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度、荷重等位移、振動、角度、加速度、荷重等機(jī)械量機(jī)械量 的測量，也廣泛應(yīng)用于

41、壓力、差壓力、液壓、料位、成分的測量，也廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液壓、料位、成分含量等熱工參數(shù)測量。含量等熱工參數(shù)測量。 5.4.1 5.4.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是位移傳感器，它利用彈性膜片在壓力下變形所電容式傳感器實(shí)質(zhì)上是位移傳感器，它利用彈性膜片在壓力下變形所產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電容（此時膜片作為電容器的一個電產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電容（此時膜片作為電容器的一個電極）。極）。 鍍金屬表面123 4 5 pX45 5.4.2 5.4.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 優(yōu)點(diǎn)：是頻率響應(yīng)范圍大、量程范圍大，僅受彈性優(yōu)點(diǎn)：是頻率響應(yīng)范圍大、量程范圍大，僅受彈性系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)限制。 難點(diǎn)：如