電容式傳感器(與“傳感器”有關的文檔共113張)

第四章電容式傳感器1第一頁，共113頁。第4章電容式傳感器電容式傳感器是把被測量的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且還逐步地擴大到用于壓力、差壓、液位、物位或成分含量等方面的測量。

2第二頁，共113頁。

電容式傳感器的優(yōu)點：①功率小、阻抗高；②靜電引力小、動態(tài)特性良好；③和電阻式傳感器相比，電容式傳感器本身發(fā)熱影響??；④可進行非接觸測量；⑤結構簡單，適應性強，可以在溫度變化比較大或具有各種輻射的惡劣環(huán)境中工作。

電容式傳感器的缺點：①輸出具有非線性；②寄生電容的影響往往降低傳感器的靈敏度。第4章電容式傳感器3第三頁，共113頁。第4章電容式傳感器

4.1電容式傳感器的工作原理和結構

4.2電容式傳感器的主要特性

4.3電容式傳感器的測量電路

4.4影響精度的因素及提高的措施

4.5容柵式傳感器

4.6應用舉例4第四頁，共113頁。4.1電容式傳感器的工作原理和結構1.工作原理如圖所示，由絕緣介質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：式中ε——電容極板間介質的介電常數(shù)，ε

=ε

0ε

r，其中ε

0為真空介電常數(shù)，ε

r為極板間介質相對介電常數(shù)；A——兩平行板所覆蓋的面積；d——兩平行板之間的距離。5第五頁，共113頁。由式（4.1）可知，當d、A和εr中任一個或某幾個參數(shù)有變化時，就改變了電容C。因此電容式傳感器分為三種類型：①變極距型：極板相對覆蓋面積A和介電常數(shù)εr不變，改變極距d。可用于測量小位移。②變面積型：極距d及介電常數(shù)εr不變，改變極板相對覆蓋面積A（改變覆蓋長度或寬度）?？捎糜跍y量較大線位移位或角位移。③變介電常數(shù)：極距d和極板相對覆蓋面積A不變，改變介電常數(shù)εr。常用于測量液位、材料的濁度或成分等的變化。6第六頁，共113頁。2.結構形式如圖所示，給出了一些常見電容式傳感器的原理結構形式。其中圖(a)、(b)為變極距型；圖(c)、(d)、(e)和(f)為變面積型；圖(g)和(h)為變介電常數(shù)型。圖(a)、(b)、(c)、(e)和(f)是線位移傳感器；圖(d)是角位移傳感器；圖(b)和(f)是差動式電容傳感器。7第七頁，共113頁。4.2電容式傳感器的主要特性

4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性

4.2.2等效電路4.2電容式傳感器的主要特性8第八頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性由式（4.1）知，電容C與極距d呈反比，如圖所示。顯然這種傳感器的特性為非線性。為使傳感器能近似在線性下工作，必須限制動極板在一個較小的范圍內變化，使ΔC與Δd的關系近似為線性。

4.2電容式傳感器的主要特性9第九頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性當傳感器的ε和A為常數(shù)，初始極距為d時，其初始電容C為

若電容器極板間距離由初始值d減小Δd，則電容量增大ΔC，有4.2電容式傳感器的主要特性10第十頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性當Δd/d<<1時，將式（4.2）展開為級數(shù)略去非線性項后，有近似關系相對靈敏度為4.2電容式傳感器的主要特性11第十一頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性由以上各式可得出以下結論：①欲提高靈敏度S，應減小起始極距d；但受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配工作的困難；②非線性將隨相對位移(即Δd/d)增加而增加，因此為了保證一定線性度，應限制動極板的相對位移量；③為改善非線性，可采用差動結構。當一個電容增加時，其特性方程如式（4.3），另一個電容則減小，其特性方程為4.2電容式傳感器的主要特性12第十二頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性對于差動結構，連接時讓兩電容并聯(lián)，總輸出為

顯然，非線性減小了，靈敏度也提高了1倍。實際應用中，為避免電容器擊穿，可在極板間放置云母片，如圖所示。此時電容C變?yōu)?.2電容式傳感器的主要特性13第十三頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性式中εg——云母的介電常數(shù)；

ε0——真空的介電常數(shù)，但空氣εr≈1;

dg——云母片厚度；

d0——空氣隙厚度。云母的介電常數(shù)為空氣的7倍，云母的擊穿電壓不小于103kV/mm，而空氣的擊穿電壓僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間的起始距離可大大減小。同時式（4.7）分母中的dg/εg是恒定的，它能使輸出特性的線性度得到改善，只要云母片選擇適當，就能獲得較好的線性關系。4.2電容式傳感器的主要特性14第十四頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性例4.1一變極距型平板電容傳感器，d0=1mm，若要求測量線性度為0.1%。求：允許極距測量最大變化量是多少？解：P744.2電容式傳感器的主要特性15第十五頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性2.變面積型電容式傳感器（1）平板電容器如圖所示。電容器電容為式中，b為極板寬度，x為極板重疊部分長度，其他同前。其靈敏度為4.2電容式傳感器的主要特性16第十六頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性（2）圓柱型電容器平板型電容傳感器的缺點是，可動極板稍有極距方向的移動時，將影響測量精度。因此，變面積型電容傳感器常做成圓柱形，如圖所示。圓柱型電容器的電容量為

式中，l為外圓筒與內圓柱覆蓋部分長度；r2/r1為外圓筒內半徑和內圓柱半徑。

4.2電容式傳感器的主要特性17第十七頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性對于圖示的單邊圓柱型位移式電容傳感器，當動極板2（內圓柱）有Δl的位移時，電容變化量為

面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但與變極距型電容式傳感器相比，靈敏度較低，適用于較大量程范圍的角位移和直線位移的測量。4.2電容式傳感器的主要特性18第十八頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性3、變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容傳感器如圖所示。這種傳感器大多用來測量電介質的厚度(a)、位移(b)及液位(c)。還可根據(jù)極間介質的介電常數(shù)隨溫度，濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等，如圖(d)所示。

4.2電容式傳感器的主要特性19第十九頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性圖(a)和(b)的輸出輸入關系分別為4.2電容式傳感器的主要特性20第二十頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性圖(c)和(d)的輸出輸入關系分別為4.2電容式傳感器的主要特性21第二十一頁，共113頁。4.2.1特性曲線、靈敏度、非線性例4.2如圖所示，圓筒形金屬容器中心放置一個帶絕緣套管的圓柱形電極用來測介質液位。絕緣材料相對介電常數(shù)為ε1，被測液體相對介電常數(shù)為ε2，液面上方氣體相對介電常數(shù)為ε3，電極各部位尺寸如圖所示，并忽略底面電容。求：當被測液體為導體及非導體時的兩種情況下，分別推導出傳感器特性方程。解：P764.2電容式傳感器的主要特性22第二十二頁，共113頁。圖4.2電容式傳感器的主要特性23第二十三頁，共113頁。其中C1和C3分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容，C2為液面上方氣體在容器壁與絕緣套管外表面間形成的電容，C4為被測液體在容器壁與絕緣套管外表面間的電容。4.2電容式傳感器的主要特性24第二十四頁，共113頁。圖4.2電容式傳感器的主要特性25第二十五頁，共113頁。4.2.2等效電路電容式傳感器的等效電路如圖(a)所示，圖中C是傳感器電容；RP是并聯(lián)電阻，它包括了電極間漏電阻和氣隙中介質損耗的等效電阻；L表示各連線端間總電感；RS由引線電阻，極板電阻和支架電阻組成。4.2電容式傳感器的主要特性26第二十六頁，共113頁。4.2.2等效電路

在大多數(shù)情況下，使用環(huán)境溫度不很高、濕度不很大，供電電源頻率較合適，設計合理，可用一個純電容來代表。當供電電源頻率較低或在高濕度環(huán)境條件下使用時，由于容抗大，RS和L可以忽略，但RP不能忽略，這時傳感器可等效成圖(b)所示的電路。4.2電容式傳感器的主要特性27第二十七頁，共113頁。4.2.2等效電路隨著供電電源頻率增高，傳感器容抗減小，可忽略RP

，但電流趨膚效應使導體電阻增加，必須考慮傳輸線（一般為電纜）的電感L和電阻RS，這時等效電路如圖(c)所示。該等效電路的諧振頻率通常為幾十MHz，供電電源頻率必須低于諧振頻率，一般為諧振頻率的1/3至1/2，傳感器才能工作。4.2電容式傳感器的主要特性28第二十八頁，共113頁。4.2.2等效電路設傳感器等效電容為Ce（即A、B兩端之間的電容），由圖(c)可得

由于C一般很小，容抗很大，而RS一般也很小，可忽略，所以4.2電容式傳感器的主要特性29第二十九頁，共113頁。4.2.2等效電路此時變極距電容傳感器的等效靈敏度為式中，Sg=ΔC/Δ

d為傳感器原來的靈敏度。由上式可知，傳感器靈敏度與傳感器固有電感（包括電纜電感）有關；Se隨ω而變。因此，改變傳感器供電電源頻率或更換傳感器到轉換電路的電纜后，必須對傳感器重新進行標定。4.2電容式傳感器的主要特性30第三十頁，共113頁。4.3電容式傳感器的測量電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，也不便于傳輸。必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉換成電壓、電流或者頻率。電容轉換電路有調頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。4.3電容式傳感器的測量電路31第三十一頁，共113頁。4.3電容式傳感器的測量電路

4.3.1自動平衡電橋電路

4.3.2差動脈沖寬度調制電路

4.3.3運算放大器式電路

4.4.4檢波測量電路4.3電容式傳感器的測量電路32第三十二頁，共113頁。4.3.1自動平衡電橋電路平衡電橋以電橋平衡條件為基礎，這種平衡條件與電源電壓無關，因此測量不受電源電壓波動的影響，而且電橋輸出具有線性特性。采取自動平衡電路還能實現(xiàn)自動測量、遠距離傳輸以及多信號輸出等要求。如圖所示是電容式油量表的自動平衡電橋電路。當油箱中無油時，電容式傳感器有一起始電容Cx0，如使C0=Cx0，且電位器觸點位于零點，即R=0，指針指在零位上，此時電橋無輸出，兩相電機不轉，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，滿足4.3電容式傳感器的測量電路33第三十三頁，共113頁。4.3.1自動平衡電橋電路當油箱中油量變化，液面升高為h時，則電橋平衡破壞，有電壓輸出。經(jīng)放大后，使兩相電機轉動，通過減速器同時帶動電位器觸點及指針轉動。當電刷移動到某一位置時，電橋重新恢復平衡，輸出電壓為零，兩相電機停轉，指針也停在某一相應的指示角q上，指示出油量的多少。根據(jù)平衡條件，在新的平衡位置上應有4.3電容式傳感器的測量電路34第三十四頁，共113頁。4.3.1自動平衡電橋電路因使用線性電位器，且指針與電刷同軸相接，故q=k2E，最后得上式說明指針轉角與油箱液面高度h成線性關系。4.3電容式傳感器的測量電路式4-1035第三十五頁，共113頁。圖4.3電容式傳感器的測量電路36第三十六頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路差動脈沖寬度調制電路，是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的電容量變化而變化。其電路原理如圖所示。

4.3電容式傳感器的測量電路37第三十七頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路圖中C1、C2為差動式電容傳感器（若用單邊式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初值相等）；電阻R1=R2；A1、A2為比較器。當雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q=1,A點高電位，通過R1對C1充電，時間常數(shù)為t1=R1C1，直至F點電位高于參比電位Ur，比較器A1輸出正跳變信號。Q=1期間，電容器C2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發(fā)器翻轉，使Q=0，于是A點為低電位，C1通過VD1迅速放電，而B點高電位通過R2對C2充電，時間常數(shù)為t2=R2C2，直至G點電位高于參比電位Ur。4.3電容式傳感器的測量電路38第三十八頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路當C1=C2時，各點電壓波形如圖(a)所示，輸出電壓UAB的平均值為零。但當C1、C2不相等時，充電時間常數(shù)發(fā)生改變，若C1>C2，則對應各點電壓波形如圖(b)，輸出電壓UAB的平均值不為零。UAB經(jīng)低通濾波后，所得直流電壓

式中，UA、UB分別為A、B兩點矩形脈沖的直流分量；T1、T2分別為C1、C2的充電時間；U1為觸發(fā)器輸出的高電平。4.3電容式傳感器的測量電路39第三十九頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路由于取R1=R2=R，得把平行極板電容的公式代入，在變極距的情況下可得式中d1、d2分別為C1、C2極板間距離。4.3電容式傳感器的測量電路40第四十頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路若C1、C2組成差動變極距式電容傳感器，當差動電容C1=C2=C0，即d1=d2=d0時，UAB=0；若C1≠C2，設C1>C2，即d1=d0-Δd，d2=d0+Δd，則同樣，在差動變面積電容傳感器中，有4.3電容式傳感器的測量電路41第四十一頁，共113頁。4.3.2差動脈沖寬度調制電路差動脈沖調寬電路與電橋電路相比，只采用直流電源，無需振蕩器和相敏檢波器，即能獲得直流輸出；輸出信號一般為100kHz~1MHz的矩形波，所以直流輸出只需經(jīng)低通濾波器簡單地引出。雖然對直流電源的電壓穩(wěn)定度要求較高，但比高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。4.3電容式傳感器的測量電路42第四十二頁，共113頁。圖4.3電容式傳感器的測量電路43第四十三頁，共113頁。4.3.3運算放大器式電路這種電路的最大特點是能夠克服單邊變極距型電容傳感器的非線性，使輸出電壓與輸入動極板位移成線性關系。圖示為這種測量電路的原理圖。

圖中，U為信號源電壓；USC為輸出電壓；C0為固定電容器的電容；Cx為傳感器的電容；K為放大器開環(huán)放大倍數(shù)。4.3電容式傳感器的測量電路44第四十四頁，共113頁。4.3.3運算放大器式電路按理想運算放大器考慮，則有將Cx=εA/d代入，得

由于實際運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗值有限，所以該測量電路仍存在一定的非線性誤差。這種電路結構上不宜采用差動測量。測試精度取決于信號源電壓的穩(wěn)定性，所以需要高精度的交流穩(wěn)壓源。4.3電容式傳感器的測量電路45第四十五頁，共113頁。4.3電容式傳感器的測量電路例4.3圖(a)為二極管環(huán)形檢波測量電路。C1和C2為差動式電容傳感器，C3為濾波電容，RL為負載電阻，R0為限流電阻，UP是正弦信號源。設RL很大，并且C3

>>C1，C3

>>C2。(1)試分析此電路工作原理；(2)畫出輸出端電壓UAB在C1=C2、C1>C2、C1<C2三種情況下的波形圖；(3)推導的數(shù)學表達式。4.3電容式傳感器的測量電路46第四十六頁，共113頁。解：(1)工作原理UP為交流信號源，在正、負半周內電流的流程如圖所示。I1I24.3電容式傳感器的測量電路4.3電容式傳感器的測量電路47第四十七頁，共113頁。由以上分析可知：在一個周期內，流經(jīng)負載RL的電流I1與C1有關，I2與C2有關。因此每個周期內流過負載的電流是I1+I2的平均值，并隨C1和C2而變化。輸出電壓UAB可以反映C1和C2的大小。

(2)UAB的波形圖如圖(b)所示。由波形圖可求4.3電容式傳感器的測量電路4.3電容式傳感器的測量電路48第四十八頁，共113頁。

(3)由于RL很大，RL與C3并聯(lián)時可忽略RL。又由于C3

>>C1，C3

>>C2，所以C3與C1或C2串聯(lián)求電流時可忽略C3

。于是，在UP的正半周，有而在UP的負半周，有4.3電容式傳感器的測量電路4.3電容式傳感器的測量電路49第四十九頁，共113頁。設，得輸出電壓的平均值為：式中，K是一個常數(shù)。4.3電容式傳感器的測量電路4.3電容式傳感器的測量電路50第五十頁，共113頁。圖4.12(a)4.3電容式傳感器的測量電路51第五十一頁，共113頁。圖4.12(b)4.3電容式傳感器的測量電路52第五十二頁，共113頁。4.4影響精度的因素及提高的措施

4.4.1溫度的影響

4.4.2邊緣效應的影響

4.4.3漏電阻的影響

4.4.4寄生電容的影響

4.4.5防止和減小外界干擾4.4影響精度的因素及提高的措施53第五十三頁，共113頁。4.4.1溫度的影響溫度對電容式傳感器的影響如下：①改變傳感器各零件的幾何尺寸和相互間的幾何位置。②影響介質的介電常數(shù)。二者都將引起傳感器電容值的變化而造成溫度附加誤差。消除前者誤差的辦法是盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如電極材料選用鐵鎳合金，支架選用陶瓷等。而消除后者溫度誤差則要通過測量電路進行補償。4.4影響精度的因素及提高的措施54第五十四頁，共113頁。4.4.2邊緣效應的影響

電容器的邊緣效應是指，電容極板邊緣處電場分布不均勻，使得電容量不等于理論值。邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產生非線性，因此，應盡量消除或減小它。適當減小極間距，可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿并限制測量范圍。將電極板做得極薄，使之與極間距相比很小，也可減小邊緣效應的影響。4.4影響精度的因素及提高的措施55第五十五頁，共113頁。4.4.2邊緣效應的影響還可在結構上增設等位環(huán)來消除邊緣效應，如圖所示。圖(a)為帶有等位環(huán)的電容式傳感器原理圖，圖(b)為其實例。圖中2為傳感器內電極（圓形），1為另一電極（可在傳感器內也可是被測物）。等位環(huán)3安放在電極2外，且與電極2等電位（但不是直接連結），這樣就能使電極2的邊緣電力線平直，兩電極間電場基本均勻，而邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3的外周不影響傳感器工作。邊緣效應所引起的非線性與變極距型電容傳感器原理上的非線性正好相反，因此在一定程度上起了補償作用，但這是犧牲了靈敏度來改善傳感器的非線性。4.4影響精度的因素及提高的措施56第五十六頁，共113頁。圖4.4影響精度的因素及提高的措施57第五十七頁，共113頁。4.4.3漏電阻的影響

電容式傳感器的電容量一般都很小，幾個pF--幾百pF。如果電源頻率較低，則電容式傳感器本身的容抗就可達幾MΩ--幾百MΩ。由于它的內阻抗很高，所以絕緣問題顯得十分突出。在一般電器設備中絕緣電阻有幾MΩ就足夠了，但對于電容式傳感器來說卻不能看作是絕緣，一般絕緣電阻將被看作是對電容式傳感器的一個旁路，稱為漏電阻。漏電阻將與傳感電容構成一復阻抗而加入測量線路影響輸出。更嚴重的是當絕緣材料性能不好時，絕緣電阻會隨著環(huán)境溫度和濕度而變化，致使電容式傳感器的輸出產生緩慢的零位漂移。所以絕緣材料應選用玻璃、石英、陶瓷、尼龍等，而不能用夾布膠木等一般電絕緣材料。4.4影響精度的因素及提高的措施58第五十八頁，共113頁。4.4.4寄生電容的影響在任何兩個導體之間均可構成電容聯(lián)系，因此電容式傳感器除了極板間的電容外，極板還可能與周圍物體（包括儀器中各種元件甚至人體）之間產生電容聯(lián)系。這種附加的電容，稱為寄生電容。寄生電容使電容傳感器的電容量改變并且引起傳感器的特性不穩(wěn)定。

4.4影響精度的因素及提高的措施59第五十九頁，共113頁。4.4.4寄生電容的影響為消除和減小寄生電容可采用如下方法:

1.縮短傳感器至測量線路前置級的距離將集成化電路、超小型電容器應用于測量電路，可使部分部件與傳感器做成一體，這樣既減小了寄生電容值，又可使寄生電容值固定不變。4.4影響精度的因素及提高的措施60第六十頁，共113頁。4.4.4寄生電容的影響

2.驅動電纜法

如圖所示，電容傳感器的輸出引線采用雙層屏蔽電纜，電纜引線將電容極板上的電壓輸入至測量線路的同時，再輸入至一個放大倍數(shù)嚴格為1的放大器，因而放大器的輸出端得到一個與輸入完全相同的輸出電壓，然后將其加到內屏蔽上。由于內屏蔽與引線之間等電位（則無電流），因而消除了引線與內屏蔽之間的電容聯(lián)系。而外層屏蔽接地后，內、外屏蔽之間的電容將成為放大器的負載，不再與傳感器電容相并聯(lián)。這樣，無論電纜形狀和位置如何變化都不會對傳感器的工作產生影響。注意：圖中的等位環(huán)與內屏蔽連接。4.4影響精度的因素及提高的措施61第六十一頁，共113頁。4.4.4寄生電容的影響3.整體屏蔽法所謂整體屏蔽法是整個橋體（包括供電電源及傳輸電纜在內）用同一個屏蔽殼保護起來，正確選擇接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。如圖所示，是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)。

4.4影響精度的因素及提高的措施62第六十二頁，共113頁。圖4.4影響精度的因素及提高的措施63第六十三頁，共113頁。4.4.5防止和減小外界干擾①屏蔽和接地：用良導體做傳感器殼體，將傳感元件包圍起來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)把導線套起來，金屬網(wǎng)可靠接地；雙層屏蔽線可靠接地；傳感器與電子線路前置級一起裝在良好屏蔽殼體內，殼體可靠接地等等。②增加原始電容值，降低容抗。③導線間的分布電容有靜電感應，因此導線和導線要離得遠，線要盡可能短，最好成垂直排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽線。4.4影響精度的因素及提高的措施64第六十四頁，共113頁。4.4.5防止和減小外界干擾④盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導體和寬印刷線。⑤盡量采用差動式電容傳感器，可減小非線性誤差，提高靈敏度，減小寄生電容的影響以及減小干擾。4.4影響精度的因素及提高的措施65第六十五頁，共113頁。4.5容柵式傳感器容柵式傳感器是在變面積式電容傳感器的基礎上發(fā)展起來的一種新型傳感器。它不僅具有電容式傳感器的優(yōu)點，又具有因多極電容帶來的平均效應，使其抗干擾能力強，精度高，對刻制和安裝精度要求不高，量程大（可達1m），是一種很有發(fā)展前途的傳感器?，F(xiàn)已應用到數(shù)顯卡尺，測長機等數(shù)顯量具。4.5容柵式傳感器66第六十六頁，共113頁。4.5容柵式傳感器

BOWERS/SYLVAC卡鉗采用SYLVAC數(shù)顯，具有大顯示屏，公/英制轉換和預置功能，標準配置為硬質合金測頭。SYLVACUL系列大型數(shù)顯卡尺有五種型號，卡尺橫梁的材質為復合型，結構穩(wěn)固、重量輕。在測量大規(guī)格和小規(guī)格工件時，有極好的平衡性。4.5容柵式傳感器67第六十七頁，共113頁。4.5容柵式傳感器

4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理

4.5.2柵狀極片的幾種結構形式

4.5.3容柵式傳感器的測量電路4.5容柵式傳感器68第六十八頁，共113頁。4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理容柵式傳感器有長容柵和圓容柵兩種，它們的結構原理如圖所示。

4.5容柵式傳感器69第六十九頁，共113頁。4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理

1.長容柵如圖(a)所示，在它們的A、B面上分別印制（或刻劃）一系列相同尺寸、均勻分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）柵狀極片。將定尺和動尺的柵極面相對放置，其間留有間隙，形成一對對電容（即容柵），這些電容并聯(lián)連接，若忽略邊緣效應，其最大電容量為式中，n為動尺柵極片數(shù)；b為極片的寬度；a為每對電容相互覆蓋的長度。4.5容柵式傳感器70第七十頁，共113頁。4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理

2.片狀圓容柵如圖(b)所示。它由同軸安裝的固定圓盤1和可動圓盤2組成，A、B面上的柵極片制成輻射的扇形，尺寸相同，均勻分布，并互相絕緣。其工作原理與長容柵相同，最大電容量為式中，r1為內徑；r2為外徑；α為每對電容相互覆蓋的角度。4.5容柵式傳感器71第七十一頁，共113頁。4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理

3.柱狀圓容柵如圖(c)所示。它由同軸安裝的定子（圓套）1和轉子（圓柱）2組成，在它們的內、外柱面上刻制一系列寬度相等的齒和槽，因此也稱為齒形傳感器。當轉子旋轉時就形成了一個可變電容器：定子、轉子齒面相對時電容量最大，錯開時電容量最小。

其電容量計算公式復雜。4.5容柵式傳感器72第七十二頁，共113頁。4.5.1容柵式傳感器基本類型及工作原理對長容柵或片狀圓容柵，其最小電容量理論上為零，實際上為固定電容C0，稱為容柵的固有電容。當動尺平行于定尺移動時（或固定圓盤相對于可動圓盤轉動時），每對電容的相互遮蓋長度a（或相互覆蓋角度α）將由大變小、由小變大而呈周期性變化，電容量也隨時間相應周期性變化，如圖（d）所示。經(jīng)電路處理后，則可測得線位移值（或角位移值）。

4.5容柵式傳感器73第七十三頁，共113頁。4.5.2柵狀極片的幾種結構形式

1.反射式直電極反射式結構形式如圖所示，動尺上排列一系列尺寸相同、寬度為l0的小發(fā)射電極片，R為公共接收極。動尺和定尺有電極片的面相對，平行安裝。當發(fā)射電極片1,2,3,…,8分別加以激勵電壓U1,U2,U3,…,U8時，通過電容耦合在（定尺上的）反射極片上產生電荷，再通過電容在公共接收極上產生電荷輸出。配上相應的測量電路，可得到幅值或相位與被測位移成比例關系的調幅信號或調相信號。此結構形式簡單，使用方便，但輸出信號較弱，而且運行過程中，導軌的誤差對測量精度的影響較大。4.5容柵式傳感器74第七十四頁，共113頁。4.5.2柵狀極片的幾種結構形式

2.透射式其結構形式如圖所示。它由一個開有均勻間隔矩形窗口的金屬帶和測量裝置組成。在測量裝置的兩側分別固定有一系列小發(fā)射電極片的電極和一個公共接收電極板，而金屬帶在測量裝置的中間通過并隨被測位移而移動。發(fā)射電極通過金屬帶上的矩形窗口與接收電極形成耦合電容，金屬帶起屏蔽作用。

這種結構形式的特點是：測量調整方便，安裝誤差和運行誤差的影響可大大降低。其缺點是制造困難。4.5容柵式傳感器75第七十五頁，共113頁。4.5.2柵狀極片的幾種結構形式

3、傾斜式傾斜電極式結構形式如圖所示。所有發(fā)射電極片均傾斜α角，其它結構尺寸、安裝使用等都與直電極式相同，這里不再重復。采用斜電極式結構可消除小發(fā)射極片間隙與接收極片邊緣相對時所產生的突變性非線性誤差。

4.5容柵式傳感器76第七十六頁，共113頁。圖4.5容柵式傳感器77第七十七頁，共113頁。圖4.5容柵式傳感器78第七十八頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路容柵傳感器的測量電路可采用調幅式或調相式電路。下面以直電極反射式結構為例進行分析。

1、開環(huán)調幅式測量原理傳感器電容極板的基本結構如圖所示。在左側圖中，一個極板由均勻排列電極的長柵（定柵）組成，另一個極板由一對相同尺寸的交錯對插電極梳（動柵對）組成。運行時，傳感器的兩個電極柵片相對安裝如右側圖所示，其中暗區(qū)域是兩個電極柵的重疊面積，從而形成一對隨位移反向變化的差動電容器C1和C2。傳感器仍采用傳統(tǒng)差動變壓器測量電路，但通過將電容極板刻成柵狀提高了測量精度并實現(xiàn)了大位移測量。4.5容柵式傳感器79第七十九頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路

2、閉環(huán)調幅式測量原理測量原理如圖所示，左側是系統(tǒng)原理圖，右側是電極柵片原理結構。圖中，A、B為動尺上的兩組電極片，P為定尺上的一片電極片，它們之間構成差動電容器CA、CB。兩組電極片A和B各由4片小電極片組成，在位置a時，一組為小電極片1—4，另一組為5—8。方波脈沖控制開關S1、S2，輪流將參考直流電壓±U0和測量轉換系統(tǒng)的直流輸出電壓Um分別接入兩個小電極組A和B。4.5容柵式傳感器80第八十頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路若系統(tǒng)保證電容極板P為虛地，則在一個周期內，激勵信號通過差動電容CA和CB在電容極板P上產生的電荷量QP為(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。當QP為零時，測量轉換電路保證Um不變；否則導致測量轉換電路使Um改變，并保證其變化使QP的值減小，直至為零。這時，可得則輸出直流電壓與位移成線性關系。4.5容柵式傳感器81第八十一頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路當相對位移量超過l0（小電極片的間距）即L0/4時，由控制電路自動改變小電極片組的接線，見圖中位置b，這時電極片組A由小電極片2~5構成；電極片組B由小電極片6~9構成。這樣，在電極片P相對移動的過程中，能保證始終與不同的小極片形成同樣的差動電容器，重復前述過程，而得到與位移成線性關系的輸出電壓。

4.5容柵式傳感器82第八十二頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路3、調相式測量原理調相式測量原理如圖所示。容柵傳感器一個極板K由數(shù)個發(fā)射極片組形成，每個極片組中有8個寬度均為l0的發(fā)射極片，分別加以8個幅值為Um、頻率為ω、相位依次相差π/4的正弦激勵電壓；另一個極板由許多反射極片M和接地的屏蔽極片S形成；還有一個接收極片R。圖中給出其中一組來說明測量原理，當兩個極板處于相對位置a時，每個發(fā)射極片與反射極片完全覆蓋，所形成的電容均為C0。4.5容柵式傳感器83第八十三頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路當兩個極板相對移動x(<l0)而處于位置b時，若將反射極片的電壓記為UM、接收極片的電壓記為UR，反射極片與接收極片之間的電容記為CMR、接受極片與地之間的電容記為CRG，反射極片與地之間的電容記為CMG。某一發(fā)射極片與反射極片之間的等效電路如圖所示。則有CRGCMRURUMUm∠aCxI4.5容柵式傳感器84第八十四頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路由上式可得：4.5容柵式傳感器85第八十五頁，共113頁。4.5.3容柵式傳感器的測量電路可見，傳感器輸出一個與激勵同頻的正弦波電壓，其幅值近似為常數(shù)K，而其相位q則與被測位移x近似成線性關系。通常采用相位跟蹤法測出相位角q。當被測位移x超過時l0，則重復上述過程，勿需改變發(fā)射極片的接線即可實現(xiàn)大位移測量。調相式測量系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，但存在非線性誤差l0)，而且當用方波電壓激勵時還存在高次諧波的影響，結果導致測量精度下降。4.5容柵式傳感器86第八十六頁，共113頁。圖4.5容柵式傳感器87第八十七頁，共113頁。圖4.5容柵式傳感器88第八十八頁，共113頁。圖4.5容柵式傳感器89第八十九頁，共113頁。4.6應用舉例

4.6.1電容式位移傳感器

4.6.2電容式差壓傳感器

4.6.3電容式加速度傳感器

4.6.4線繞式電容傳感器測量水深

4.6.5差動式電容測厚傳感器

4.6.6電容式料位傳感器

4.6.7電容式轉速傳感器

4.6.8一種新型的基于邊緣效應的電容傳感器

4.6.9一種可同時測量位移和角度的電容式傳感器

4.6.10電容層析成像在工業(yè)中的應用4.6應用舉例90第九十頁，共113頁。4.6.1電容式位移傳感器

電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅，還可用來測量轉軸的回轉精度和軸心動態(tài)偏擺。它們的應用如圖所示。

4.6應用舉例91第九十一頁，共113頁。4.6.2電容式差壓傳感器如圖所示，是電容式差壓傳感器結構示意圖。這種傳感器結構簡單，靈敏度高，響應速度快（約100ms），能測微小差壓（）。它由兩個玻璃圓盤和一個金屬（不銹鋼）膜片組成。兩玻璃圓盤上的凹面深約25mm，其上各鍍以金屬作為電容式傳感器的兩個固定電極，而夾在兩凹圓盤中的膜片則為傳感器的可動電極。當兩邊壓力P1=P2，膜片處在中間位置，Cab=Cdb。當P1≠P2時，膜片向壓力小的一側彎曲，Cab≠Cdb。

這種差壓傳感器不僅用來測量P1與P2的壓差，也可用于測量真空或微小絕對壓力，此時只要把膜片的一側密封抽到高真空（10-5Pa）即可。4.6應用舉例92第九十二頁，共113頁。圖4.6應用舉例93第九十三頁，共113頁。4.6.3電容式加速度傳感器圖示為差動式電容加速度傳感器結構圖。它有兩個固定極板（與殼體絕緣）,中間有一用彈簧片支撐的質量塊，此質量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板（與殼體電連接）。當傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時，兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生大小相等，符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質。4.6應用舉例94第九十四頁，共113頁。圖4.6應用舉例95第九十五頁，共113頁。4.6.4線繞式電容傳感器測量水深如圖(a)所示。當有兩極性相反的N匝線圈時，每相鄰兩匝之間就有電容存在，即有(N-1)個電容器并聯(lián)。如果是以雙線同時繞于同一骨架上，骨架半徑為R，導線半徑a，相鄰導線中心距為D，繞制成的電容器線棒總長度為L，那么兩線間的電容量為

調節(jié)繞線長度L，可以方便地得到期望的電容值CN。4.6應用舉例96第九十六頁，共113頁。4.6.4線繞式電容傳感器測量水深水位測量時，設電容器棒總長度為L，伸入水中部分為l，如圖(b)所示。則其總電容量為兩部分之和：Cx=C1+C2其中，C1為未伸入水中部分的電容量：C2為插入水中部分的電容量：所以4.6應用舉例97第九十七頁，共113頁。4.6.4線繞式電容傳感器測量水深被測介質為水，其相對介電常數(shù)εr=81>>1，所以式中L、εr、CN均為常數(shù)，可見，線繞式電容傳感器插入水中深度L與被測電容Cx成良好的線性關系。直線方程之截距可預置抵消。4.6應用舉例98