傳感器第三章電容式傳感器

1、第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 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)第二節(jié)第二節(jié) 誤差的因素及改進(jìn)措施誤差的因素及改進(jìn)措施 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路第四節(jié)第四節(jié) 電容傳感器的應(yīng)用舉例電容傳感器的應(yīng)用舉例內(nèi)容提要內(nèi)容提要學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握電容傳感器類型及各種類型的工作原掌握電容傳感器類型及各種類型的工作原理；了解輸出特性及減少線性誤差的措施；理；了解輸出特性及減少線性誤差的措施；了解誤差的影響因素及改進(jìn)措施了解誤差的影響因素及改進(jìn)措施 ；掌握各種；掌握各種測量電路及工作原理；熟悉電容傳感器應(yīng)用。測量電路及工作原理；熟悉

2、電容傳感器應(yīng)用。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 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)一、基本工作原理一、基本工作原理 1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 3 3、變介質(zhì)型電容式傳感器、變介質(zhì)型電容式傳感器二、差動式電容傳感器二、差動式電容傳感器 1 1、變面積型差動電容傳感器、變面積型差動電容傳感器 2 2、變極距型差動電容傳感器、變極距型差動電容傳感器三、電容傳感器輸出特性三、電容傳感器輸出特性四、電容傳感器等效電路四、電容傳感器等效電路第三章第三章 電容

3、式傳感器電容式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理平板電容器，其電容量為平板電容器，其電容量為 ：: : 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 0r r0 0 : : 真空介電常數(shù)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: : 兩平行板所覆蓋的面積；兩平行板所覆蓋的面積； d d: : 兩平行板之間的距離。兩平行板之間的距離。 r0dAdAC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器d dd dA Ar r1 1A A面積，稱變面積型傳感器面積，稱變面積型傳感器 d距離，稱變極距型傳感器距離，稱變極距型傳感器 介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感

4、器介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 初始電容量為初始電容量為 00dAC電容器極板間距離由初始值電容器極板間距離由初始值d d0 0縮小了縮小了d d，電容量增，電容量增大了大了C C，則有，則有 20000000111ddddCddCddACCCd d1-1-定極板定極板2-2-動極板動極板d0第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d電容量與極板間電容量與極板間距離之間的關(guān)系距離之間的關(guān)系 若若d/d01時，時，1-(d/d0)21，則：，則：000200011ddCCddddC

5、C 此時此時C C與與d d近似呈線性關(guān)系，近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器往往所以變極距型電容式傳感器往往設(shè)計(jì)成設(shè)計(jì)成在在d d極小范圍內(nèi)變化極小范圍內(nèi)變化。00ddCC001/ddCCK第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器gdgd00000ddACggg云母的相對介電常數(shù)，云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度；空氣隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 C C0 02030pF2030pF之間之間d d0 025200m 25200m 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)dd小于間距的小于間距的1/101/10返回第三章第三章 電容式傳感器電容

6、式傳感器 電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質(zhì)彈性薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)屬化處理的輕質(zhì)彈性薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲音信號與電信號的轉(zhuǎn)換。出，從而完成了聲音信號與電信

7、號的轉(zhuǎn)換。舉例舉例1 1第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器舉例舉例1 1第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器（1 1）直線位移型）直線位移型當(dāng)動極板相對于定極板沿當(dāng)動極板相對于定極板沿長長度方向度方向平移平移x x時，則電容為時，則電容為 axCdbxaC1)(0axCC0C與與x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 axkCC10第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器(2) (2) 角位移型角位移型動 極 板定 極 板當(dāng)當(dāng)=0時，則時，則 00dAC當(dāng)當(dāng)0時，時， 則則 0001CCdACC與角位移與角位移呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 第三章第三章 電容式

8、傳感器電容式傳感器雙聯(lián)電容器雙聯(lián)電容器變面積的電容傳感器變面積的電容傳感器當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)諧旋鈕時，變面積式可變電容器的動當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)諧旋鈕時，變面積式可變電容器的動片就隨之轉(zhuǎn)動，改變了與定片之間的覆蓋面積片就隨之轉(zhuǎn)動，改變了與定片之間的覆蓋面積A A，電，電容量容量C C也就越來越小，諧振頻率也隨之改變。也就越來越小，諧振頻率也隨之改變。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器（3 3）、圓柱型電容傳感器）、圓柱型電容傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器10002DDlnLC LxCDDlnxLC1201001 當(dāng)內(nèi)筒上移當(dāng)內(nèi)筒上移x x時，內(nèi)時，內(nèi)外筒間的電容外筒間的電容C C1 1

9、為：為：D1D0LxL CC0 x 返回第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器1CBld2d12xCACACBCBACCC11221ddbxCA1211ddxlbCB3 3、變介質(zhì)型電容式傳感器、變介質(zhì)型電容式傳感器(1)(1)單組式平板線位移變介質(zhì)型單組式平板線位移變介質(zhì)型2110ddblC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器電容變化量與電介質(zhì)移動量電容變化量與電介質(zhì)移動量 x x 呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 121212100ddlxCCC 12121210 ddlxCC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器(2) (2) 并聯(lián)柱面結(jié)構(gòu)并聯(lián)柱面結(jié)構(gòu) 用于測量液位高低。設(shè)被用于測量液位高低。

10、設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面，液面高度為高度為h, 變換器總高度為變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D。dDnHC120第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011電容增量正比于被測液位高度電容增量正比于被測液位高度h。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器返回(3) (3) 并聯(lián)平面板結(jié)構(gòu)并聯(lián)平面板結(jié)構(gòu)axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111電容增量正比于被測液位高度電容增量正比于被測液位高度x。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器二、差

11、動式電容傳感器二、差動式電容傳感器1 1、變面積型差動電容傳感器、變面積型差動電容傳感器（1 1）平面板結(jié)構(gòu)直線位移型）平面板結(jié)構(gòu)直線位移型位移位移x x4 a定極板定極板動極板動極板2C1C動態(tài)時：動態(tài)時：dabCCCx0210，靜態(tài)時：靜態(tài)時： axCxadbxCaxCxadbxC110201第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器（2 2）圓柱面結(jié)構(gòu)直線位移型）圓柱面結(jié)構(gòu)直線位移型lr2R2x位移 xC1 xC2rRlCCCxln20021，靜態(tài)時：靜態(tài)時：動態(tài)時：動態(tài)時： lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201返回第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器（3 3）平面

12、扇形變面積角位移結(jié)構(gòu)）平面扇形變面積角位移結(jié)構(gòu) 0002220002211212CrRdCCrRdC0220212rRdCCC靜態(tài)時：靜態(tài)時：動態(tài)時：動態(tài)時：第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器2 2、變變極距極距型型差動差動電容傳感器電容傳感器定片定片動片動片0d0d1C2Cd位移動態(tài)時：動態(tài)時：00210dACCCd，靜態(tài)時：靜態(tài)時：兩極板對應(yīng)的面積為兩極板對應(yīng)的面積為A A。dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器變極距（變極距（d）型）型 變面積（變面積（A）型）型 變面積（變面積（A）型）型 變面積（

13、變面積（A）型）型 變極距（變極距（d）型）型 變面積（變面積（A）型）型 變面積（變面積（A）型）型 變面積（變面積（A）型）型 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器三、電容傳感器輸出特性三、電容傳感器輸出特性 在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移d時，電時，電容器容器C1的間隙的間隙d1變?yōu)樽優(yōu)閐0-d，電容器，電容器C2的間隙的間隙d2變?yōu)樽優(yōu)閐0+d, 則則 002001/11/11ddCCddCC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器在在d/d01

14、時時, 按級數(shù)展開得按級數(shù)展開得 3020002302000111ddddddCCddddddCC電容值總的變化量為電容值總的變化量為 503000212ddddddCCCC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器電容值相對變化量為電容值相對變化量為 40200012ddddddCC略去高次項(xiàng)，則略去高次項(xiàng)，則C/C0與與d/d0近似成線性關(guān)系：近似成線性關(guān)系： 002ddCC傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：002/ddCCK考慮考慮C/C0式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng)式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 得到相對非線性得到相對非線性誤差誤差r近似為近似為 ：第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 非差動型平行板

15、電容傳感器相對變化量為非差動型平行板電容傳感器相對變化量為 0011ddCC當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時，上式可按級數(shù)展開，可得時，上式可按級數(shù)展開，可得 30200001ddddddddCC%100%100|/|2|)/( |220030ddddddr第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器只考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，只考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則則 0001ddddCC由此可得出傳感器的相對非線性誤差由此可得出傳感器的相對非線性誤差r為為 %100%100|/|)/(0020ddddddr 當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)時可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系，系， 如下式所示：如下式所示： 0

16、0ddCC第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 2/00CCK %10020 r差動連接：差動連接：00ddCC001/ddCCK%1000020）（r單邊連接單邊連接第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 靈敏度是單邊的靈敏度是單邊的2倍倍； 非線性誤差也大大減小了非線性誤差也大大減小了；由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。變化所造成的誤差。返回第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器四、電容傳感器等效電路四、電容傳感器等效電路L 包括電容器本身的電感和引線電纜的電感；包括電容器本身的電感和引線電纜的電感；Rs 由引線電阻、極板電

17、阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；Rp 是極板間泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗。是極板間泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗。CP 寄生電容寄生電容低頻時影響較大，低頻時影響較大，隨頻率增高容抗隨頻率增高容抗減小，其影響就減小，其影響就減弱。減弱。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器低頻等效電路低頻等效電路 u傳感器電容的阻抗非常大，傳感器電容的阻抗非常大，L和和Rs的影響可忽略的影響可忽略 u等效電容等效電容Ce=C+Cp， u等效電阻等效電阻ReRp RP（a）Ce第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器高頻等效電路高頻等效電路 電容的阻抗變小，電容的阻抗變小，L L和和Rs

18、Rs的影響不可忽略，漏電的影的影響不可忽略，漏電的影響響RpRp可忽略可忽略 ，其中，其中CeCe=C+Cp=C+Cp，而，而ReRe RsRs RsLCe（b）第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 誤差的因素及改進(jìn)措施誤差的因素及改進(jìn)措施 一、溫度對電容器結(jié)構(gòu)尺寸的影響一、溫度對電容器結(jié)構(gòu)尺寸的影響二、寄生電容與分布電容的影響二、寄生電容與分布電容的影響三、外界干擾的影響三、外界干擾的影響四、溫度對介質(zhì)的介電常數(shù)的影響四、溫度對介質(zhì)的介電常數(shù)的影響五、漏電阻的影響五、漏電阻的影響第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器、溫度對電容器結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對電容器結(jié)構(gòu)尺寸的影響0d1

19、h2hL1h：初始時絕緣材料的厚度：初始時絕緣材料的厚度 2h：初始時固定極板的厚度：初始時固定極板的厚度 0d：初始時空氣隙的厚度：初始時空氣隙的厚度 L：初始時兩極板的總間隙：初始時兩極板的總間隙 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器設(shè)初始溫度為設(shè)初始溫度為 時，電容傳感器工作極片與固定時，電容傳感器工作極片與固定極片間隙及初始電容為：極片間隙及初始電容為：0t210hhLdrhdAC1000環(huán)境溫度變化后環(huán)境溫度變化后 氣隙厚度變?yōu)椋簹庀逗穸茸優(yōu)椋?tththtLdhhLt221111121,hhL式中，式中， 分別為傳感器各零件所用材分別為傳感器各零件所用材料的溫度線膨脹系數(shù)。料的溫

20、度線膨脹系數(shù)。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器rhttthdAC1101則則 電容量相對誤差為：電容量相對誤差為：thhLdtLhhdddCCChhLLhhtttt2211022110000t溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償02102211Lhhhhdhh第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器經(jīng)整理得經(jīng)整理得 ： 02102211hhdhhLhLh則則1122110LhLhhhd0d21hhL， 在設(shè)計(jì)電容傳感器時，應(yīng)首先根據(jù)合理的初始電在設(shè)計(jì)電容傳感器時，應(yīng)首先根據(jù)合理的初始電容量決定間隙容量決定間隙 ，然后根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)選擇材，然后根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)選擇材料的料的 合適尺寸，滿足溫度補(bǔ)償條

21、件的合適尺寸，滿足溫度補(bǔ)償條件的要求，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。要求，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩５谌碌谌?電容式傳感器電容式傳感器二、寄生電容與分布電容的影響二、寄生電容與分布電容的影響 寄生電容：寄生電容：電容極板與周圍物體（各種組建甚至電容極板與周圍物體（各種組建甚至人體）所產(chǎn)生的電容。人體）所產(chǎn)生的電容。 分布電容：分布電容：電容傳感器引線電纜引起的電容電容傳感器引線電纜引起的電容 (l2m導(dǎo)線可達(dá)導(dǎo)線可達(dá)800pF) 。 干擾電容：干擾電容：寄生電容與分布電容統(tǒng)稱。寄生電容與分布電容統(tǒng)稱。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 采用采用減小

22、極片或極筒間的間距減小極片或極筒間的間距( (平板式間距為平板式間距為0.20.20.5mm0.5mm，圓筒式間距為，圓筒式間距為0.15mm)0.15mm)，增加工作面積增加工作面積或或工作長度工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在般電容值變化在 1010-3-3103 pF103 pF范圍內(nèi)，相對值變化范圍內(nèi)，相對值變化在在 1010-6-61 1范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 （2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；）注意傳感器的接地和屏蔽； 第三章第三章 電容式傳感器

23、電容式傳感器 （3 3）集成化）集成化: :將傳感器與測量電路本身或其前置將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。 （4 4）采用）采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù): :傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜. . （5 5）整體屏蔽法）整體屏蔽法: :將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界

24、的確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。干擾。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器三、外界干擾的影響三、外界干擾的影響 1、屏蔽和接地。用良導(dǎo)體作傳感器殼體，將傳屏蔽和接地。用良導(dǎo)體作傳感器殼體，將傳感器元件包圍起來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)套住導(dǎo)線感器元件包圍起來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)套住導(dǎo)線彼此絕緣（即屏蔽電纜），金屬網(wǎng)可靠接地；用雙層彼此絕緣（即屏蔽電纜），金屬網(wǎng)可靠接地；用雙層屏蔽線可靠接地；用雙層屏蔽罩且可靠接地；傳感器屏蔽線可靠接地；用雙層屏蔽罩且可靠接地；傳感器與測量電路前置級一起裝在較好的屏蔽殼體內(nèi)并可靠與測量電路前置級一起裝在較好的屏蔽殼體內(nèi)并可靠接地等等。接地等等

25、。 2、增加原始電容值，以降低容抗，減小被干擾增加原始電容值，以降低容抗，減小被干擾電容淹沒的危險。電容淹沒的危險。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 3、減小導(dǎo)線間的分布電容的靜電感應(yīng)，因此減小導(dǎo)線間的分布電容的靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線與導(dǎo)線之間遠(yuǎn)離，距離盡可能短，最好成直導(dǎo)線與導(dǎo)線之間遠(yuǎn)離，距離盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時可采用屏蔽電纜線。角排列，必須平行排列時可采用屏蔽電纜線。 4、減少接地點(diǎn)，盡可能一點(diǎn)接地，地線要用減少接地點(diǎn)，盡可能一點(diǎn)接地，地線要用較粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。較粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。 5、盡量采用差動式電容傳感器，可提高傳盡量采用差動式電容傳感器，可提高傳感器

26、靈敏度，減小非線性誤差。感器靈敏度，減小非線性誤差。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器四、溫度對介質(zhì)的介電常數(shù)的影響四、溫度對介質(zhì)的介電常數(shù)的影響原因：原因：某些介質(zhì)的介電常數(shù)也存在溫度系數(shù)；某些介質(zhì)的介電常數(shù)也存在溫度系數(shù)；消除方法：消除方法：采用介電常數(shù)溫度系數(shù)為零的空氣或云采用介電常數(shù)溫度系數(shù)為零的空氣或云母作為介質(zhì)，或在測量電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但要母作為介質(zhì)，或在測量電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但要完全補(bǔ)償是困難的。完全補(bǔ)償是困難的。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器五、漏電阻的影響五、漏電阻的影響 電容傳感器的容抗很高，特別是電源頻率較低電容傳感器的容抗很高，特別是電源頻率較低時，

27、容抗更高。如果兩極板之間的漏電阻與此容抗時，容抗更高。如果兩極板之間的漏電阻與此容抗相接近時，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)靈敏度的影相接近時，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)靈敏度的影響。它將使傳感器的靈敏度下降。響。它將使傳感器的靈敏度下降。 消除方法：消除方法：選用絕緣性能很好的陶瓷、石英、選用絕緣性能很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作為兩極板之間的支架，可大大聚四氟乙烯等材料作為兩極板之間的支架，可大大提高兩極板之間的漏電阻。當(dāng)然，適當(dāng)?shù)奶岣呒钐岣邇蓸O板之間的漏電阻。當(dāng)然，適當(dāng)?shù)奶岣呒铍娫吹念l率也可以降低對材料絕緣性能的要求。電源的頻率也可以降低對材料絕緣性能的要求。 第三章第三章 電容式傳感

28、器電容式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路一、調(diào)頻電路一、調(diào)頻電路二、運(yùn)算放大器式電路二、運(yùn)算放大器式電路三、二極管雙三、二極管雙T型交流電橋型交流電橋四、脈沖寬度調(diào)制電路四、脈沖寬度調(diào)制電路 電容式電容式傳感器傳感器測量電路測量電路被測量被測量電容電容第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器一、調(diào)頻電路一、調(diào)頻電路 調(diào)頻測量電路把調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。的振蕩頻率就發(fā)生變化。C Cx xf f振蕩器振蕩

29、器u uf f限幅限幅放大器放大器u uL L鑒頻器鑒頻器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為LCf21L：振蕩回路的電感：振蕩回路的電感C：振蕩回路的總電容，：振蕩回路的總電容，C=C1+C2+CxC1:振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容, C2:傳感器引線分布電容傳感器引線分布電容, Cx=C0C:傳感器的電容。傳感器的電容。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器被測信號不為被測信號不為0時，時，C0ffLCCCCf0021)(21 電路具有較高的靈敏度，電路具有較高的靈敏度， 可以測量高至可以測量高至0.01m級級位移變化量。信號的輸出頻率易

30、于用數(shù)字儀器測量，位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量， 并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可以發(fā)送、可以發(fā)送、 接收，接收， 以達(dá)到遙測遙控的目的。以達(dá)到遙測遙控的目的。 被測信號為被測信號為0時，時，C=0LCCCf)(210210第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器二、運(yùn)算放大器式電路二、運(yùn)算放大器式電路iiiCjIUxiioCCUUxxCjIU0 xiIICxCiUiU0IiIxI返回適合那種電容傳感器適合那種電容傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 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Cx=A/d，代入，代入上式可得上

31、式可得 dACUUiio 說明運(yùn)算放大器的說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離輸出電壓與極板間距離d成成線性關(guān)系線性關(guān)系,能夠從原理上克服能夠從原理上克服變極距型變極距型電容式傳感電容式傳感器的非線性。器的非線性。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器三、二極管雙三、二極管雙T型交流電橋型交流電橋高頻對稱方波高頻對稱方波EUD1、D2為特性相同二極管為特性相同二極管R1=R2=RC1、C2傳感器的兩差動電容傳感器的兩差動電容沒有輸入時，沒有輸入時，C1=C2返回0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器C1工作形式：工作形式：正半周時，正半周時，

32、D1導(dǎo)通、導(dǎo)通、D2截止，截止，C1充電，充電，負(fù)半周時，負(fù)半周時，C1電荷通過電荷通過R1，RL放電，放電，RL電流為電流為I1。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+UE(a)C2C1RLR1R2i1i2+第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器C2工作形式：工作形式：負(fù)半周時，負(fù)半周時，D2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D1截止，截止，C2充電充電正半周時，正半周時， C2通過通過R2，RL放電，放電，RL電流為電流為I2 。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+(b)UE+i2 R1R2C1C2RL+i1 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)輸入為正半周時，二極管當(dāng)輸入為

33、正半周時，二極管D1導(dǎo)通、導(dǎo)通、D2截止，于截止，于是電容是電容C C1 1充電，在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時，電容充電，在隨后負(fù)半周出現(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(fù)載電阻，負(fù)載電阻R RL L放電，流過放電，流過R RL L的電流為的電流為I I1 1。 當(dāng)輸入為負(fù)半周時，當(dāng)輸入為負(fù)半周時，D2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D1截止，則電容截止，則電容C C2 2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時，充電，在隨后出現(xiàn)正半周時， C C2 2通過電阻通過電阻R R2 2，負(fù)載電，負(fù)載電阻阻R RL L放電，流過放電，流過R RL L的電流為的電流為I I2 2 。 C C1 1= =C C2

34、2，則電流，則電流I I1 1= =I I2 2，且方向相反，在一個周期內(nèi)，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過流過R RL L的平均電流為零。的平均電流為零。 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 若若C1C2, I1I2, 此時在一個周期內(nèi)通過此時在一個周期內(nèi)通過RL上上的平均電流不為零，的平均電流不為零， 輸出電壓在一個周期內(nèi)平均輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為（值為（ f為電源頻率）為電源頻率） )()()2()()(1212210CCfURRRRRRdtRtitiTRIUELLLLTLLo當(dāng)當(dāng)RL已知，且令已知，且令)()()2(2常數(shù)MRRRRRRLLL)(21CCfMUUEo第三章第三章

35、電容式傳感器電容式傳感器 線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電線路簡單，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；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，要求它們高電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；度穩(wěn)定； 輸出阻抗為輸出阻抗為R R，而與電容無關(guān)，克服了電容式，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；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適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器；傳感器； 對于對于1 k1 k的負(fù)載電阻上升時間為的負(fù)載電阻上升時間為20s20s左右，左右， 故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動

36、。故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動。 雙雙T T電路的特點(diǎn)：電路的特點(diǎn)：第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器四、脈沖寬度調(diào)制電路四、脈沖寬度調(diào)制電路 C Cx x1 1、C Cx x2 2為差動電容傳感器；為差動電容傳感器；電阻電阻R R1 1= R= R2 2；A A1 1、A A2 2為比較器為比較器R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器A2A1第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q Q=1=1， ，A A點(diǎn)高電位通過點(diǎn)高電位通過R R1 1對對C Cx x1 1充電，時間常數(shù)為充電，時間常數(shù)

37、為1= 1= R R1 1 C Cx x1 1 ，直至直至C C點(diǎn)電位高于參考電位點(diǎn)電位高于參考電位U Ur r，比較器比較器A A1 1 輸出正跳變信輸出正跳變信號。號。與此同時，因?yàn)榕c此同時，因?yàn)?，電容器，電容器C Cx x2 2上已充電流通上已充電流通過過D2D2迅速放電至零電平。迅速放電至零電平。 A A1 1正跳變信號激勵觸發(fā)器翻正跳變信號激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)，使Q Q=0=0， ，于是于是A A點(diǎn)為低電位，點(diǎn)為低電位， C Cx x1 1通過通過D1D1迅迅速放電，而速放電，而B B點(diǎn)高電位通過點(diǎn)高電位通過R R2 2對對C Cx x2 2充電，時間常數(shù)為充電，時間常數(shù)為2 2=

38、 = R R2 2 C Cx x2 2 ，直至直至D D點(diǎn)電位高于參考電位點(diǎn)電位高于參考電位U Ur r，比較器比較器A A2 2 輸出正跳變信號，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。輸出正跳變信號，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。重復(fù)上述過程。重復(fù)上述過程。當(dāng)差動電容器當(dāng)差動電容器C Cx x1 1= =C Cx x2 2時，時，A A、B B兩點(diǎn)間的平均電壓為零。兩點(diǎn)間的平均電壓為零。 0Q1Q0Q第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器UFU Ur rU Ur r-U-U1 1U U1 1T10U U1 1U U1 1返回 當(dāng)當(dāng)C Cx x1 1C Cx x2 2，且且C Cx x1

39、 1C Cx x2 2，則則1 1= = R R1 1 C Cx x1 1 2 2= = R R2 2 C Cx x2 221211TTTTUUUUBAoU1：觸發(fā)器輸出高電平；觸發(fā)器輸出高電平； T1、T2：Cx1、Cx2充電至充電至Ur時所需時間時所需時間一個周期之內(nèi)的一個周期之內(nèi)的U Uo o輸出為：輸出為： 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器由電路知識可知由電路知識可知 rxrxUUUnCRTUUUnCRT11222111111112121UCCCCUxxxxo適合那種電容傳感器適合那種電容傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器變極板距離的情況下變極板距離的情況下差動時，即差

40、動時，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有則有 10UddUo11212UddddUo變面積電容傳感器變面積電容傳感器12121UAAAAUo1UAAUo差動電容差動電容Cx1Cx2 有有 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性；上的線性特性；采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高；采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高；不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求；不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求；不需要相敏檢波與解調(diào)等；不需要相敏檢波與解調(diào)等；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓。經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓。第三章第

41、三章 電容式傳感器電容式傳感器第四節(jié)第四節(jié) 電容傳感器的應(yīng)用舉例電容傳感器的應(yīng)用舉例1、電容式壓力傳感器、電容式壓力傳感器 2、電容式加速度傳感器、電容式加速度傳感器 3、電容測厚儀、電容測厚儀4、電容式荷重傳感器、電容式荷重傳感器5、電容式液位計(jì)、電容式液位計(jì)6、電容式接近開關(guān)、電容式接近開關(guān)7、電容式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器8、電容式鍵盤、電容式鍵盤9、電容式指紋傳感器、電容式指紋傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器1、電容式壓力傳感器、電容式壓力傳感器 PPP第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器LHHLLHCCKPPKPCC= （）=第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第

42、三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器各種電容式壓力變送器外形各種電容式壓力變送器外形第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器2 2、電容式加速度傳感器、電容式加速度傳感器 1C2Cam1C2C第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 裝有傳感裝有傳感器的假器的假人人氣囊氣囊第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器3 3、電容測厚儀、電容測厚儀CBRR0C1C2C

43、1L2L第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器4 4、 電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器F絕緣材料絕緣材料動極板動極板定極板定極板極板支架極板支架彈性體彈性體第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)被測液體的頁面上升時，引當(dāng)被測液體的頁面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變化。變化。 液位限位傳感器液位限位傳感器與與液位變送器液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為

44、高電平的型號。輸出為高電平的型號。5 5、電容式液位計(jì)（變介質(zhì)型）、電容式液位計(jì)（變介質(zhì)型）第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器振蕩電路振蕩電路感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測物體被測物體6 6、電容式接近開關(guān)、電容式接近開關(guān) 測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介介電常數(shù)發(fā)生變化，電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化發(fā)生變化. .由此便可由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷控制開關(guān)的

45、接通和關(guān)斷; ;接近開關(guān)接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。或粉狀物體。第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器7 7、電容式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器 第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器8 8、電容式鍵盤、電容式鍵盤 常規(guī)的鍵盤有機(jī)械常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。按鍵和電容按鍵兩種。 電容式鍵盤電容式鍵盤是基于是基于電容式開關(guān)電容式開關(guān)的鍵盤，原的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極理是通過按鍵改變電