傳感器與傳感器技術(shù)(河道清)

第4章電容式傳感器被測(cè)量?

C?U（I）第4章電容式傳感器

4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.3電容式傳感器的等效電路4.4電容式傳感器特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.5電容式傳感器的測(cè)量電路4.6電容式傳感器的應(yīng)用第4章電容式傳感器

電容器:平板電容器

柱形電容器4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.1.1工作原理

平板電容器如圖4-1所示

其電容量：圖4-1平板電容器

(4–1)d,S,(r)變化

C變化U(I)變化4.1.2結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器

變間隙（d）型變面積（S）型變介電常數(shù)（ε）型4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.1.2結(jié)構(gòu)類型4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)變間隙式變間隙式變面積式變面積式

變面積式變面積式變介電常數(shù)式變介電常數(shù)式4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器初始電容：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器d0d0－

dC0C0＋

C相對(duì)非線性誤差：靜態(tài)靈敏度：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器圖4-4差動(dòng)式電容器傳感器的曲線差動(dòng)結(jié)構(gòu)電容傳感器結(jié)構(gòu)特性曲線圖：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板位移為

d時(shí)：電容總的變化為：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器電容相對(duì)變化為：靈敏度為：相對(duì)非線性誤差為：靈敏度提高了一倍非線性誤差降低了4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器具有固體介質(zhì)的變間隙式傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示：其初始電容：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器當(dāng)d1則CC＋Cd1－

d，電容值的相對(duì)變化為：N1既是靈敏度因子，又是非線性因子；取決于d2/d1和

r24.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.1變間隙式電容傳感器為了消除邊緣效應(yīng)的影響， 可以采用設(shè)置保護(hù)環(huán)的方法4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.2變面積式電容傳感器直線位移式電容傳感器原理圖初始電容：當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)

x靈敏度：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.2變面積式電容傳感器本圖也是變面積式電容傳感器，是右圖的變形當(dāng)極板的齒數(shù)為n時(shí)，移動(dòng)

x后靈敏度為

可見其靈敏度為單極板的n倍。4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.2變面積式電容傳感器當(dāng)動(dòng)片角位移

時(shí)，覆蓋面積S就改變當(dāng)

=0時(shí)：

當(dāng)

0時(shí)：靈敏度：角位移式電容傳感器

4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.3變介電常數(shù)式電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示：電容值：4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.3變介電常數(shù)式電容傳感器靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)增大而增大；

非線性因子，隨間隙比d/(a-d)增大而減??；

可作N2和N3與間隙比d/(a-d)的關(guān)系曲線

N2N34.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.3變介電常數(shù)式電容傳感器靈敏度和非線性因子，可作N4~d/(a-d)曲線

；

若保持

r

不變，可測(cè)介質(zhì)厚度4.2電容式傳感器的靜態(tài)特性4.2.3變介電常數(shù)式電容傳感器

若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則d=a，此時(shí)初始電容：與

r

成線性關(guān)系。此電容傳感器可測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)的變化。4.3電容式傳感器的等效電路實(shí)際電容傳感器應(yīng)考慮其損耗和電感效應(yīng)，其等效電路如圖所示極板間漏電阻及介質(zhì)損耗、低頻損耗

引線電阻、電容器支架和極板電阻電容器本身電感和外部引線電感xx4.4電容式傳感器特點(diǎn)及涉及要點(diǎn)4.4.1特點(diǎn)

溫度穩(wěn)定性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；可以實(shí)際非接觸測(cè)量，并具有平均效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)輸出阻抗高，負(fù)載能力差寄生電容影響大缺點(diǎn)4.4電容式傳感器特點(diǎn)及涉及要點(diǎn)4.4.1設(shè)計(jì)要點(diǎn)

減小環(huán)境溫度，濕度等變化的影響保證絕緣材料 的絕緣性能

增加原始電容值，減少泄漏電容的影響消除電纜電容的影響，驅(qū)動(dòng)電纜法采用接地屏蔽法，克服不穩(wěn)定的寄生電容的影響整體屏蔽法消除和減小邊緣效應(yīng)和泄漏電容的影響

4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.1運(yùn)算放大器的測(cè)量電路運(yùn)算放大器的測(cè)量電路原理圖：

4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.2電橋電路平衡電橋（電阻平衡臂電橋）平衡條件：初始：d1＝d2＝d0

，C1＝C2＝C0

，z1＝z2＝z,平衡工作時(shí)：中心電極移動(dòng)

d，使d1＝d0+d，d2＝d0-d，則

C1＝C0-C，C2＝C0+C，平衡破壞。調(diào)z1和z2使電橋重新平衡，令此時(shí)z1＝z1’4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.2電橋電路不平衡電橋（變壓器電橋）式中C1,C2為差動(dòng)電容傳感器。C1＝C0＋

CC2＝C0－

C原理圖4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.3二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）

原理圖電容器的充放電原理：其中：4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.3二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.3二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）

二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：e，C1

，C2接地;工作電平高，D1，D2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān);輸出電壓高;輸出阻抗與C1

、C2無(wú)關(guān)，與R1

，R2同數(shù)量級(jí)，可用

mA或

A表直接測(cè)量;RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k

時(shí)，上升時(shí)間20

s，可測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)

.利用電容器的充放電時(shí)間調(diào)制方波脈沖寬度4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.4脈寬度調(diào)制電路

原理圖4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.4脈寬度調(diào)制電路

C1＝C2

C1

C2且C1＞C2

4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.4脈寬度調(diào)制電路

對(duì)平板變間隙差動(dòng)電容傳感器

對(duì)差動(dòng)變面積式電容傳感器電路特點(diǎn)：輸出電壓與被測(cè)位移（或面積變化）線性不需解調(diào)電路，只需低通濾波電路便可測(cè)得較大直流電壓不需載波調(diào)寬頻率變化對(duì)輸出無(wú)影響4.5電容式傳感器的測(cè)量電路

4.5.5調(diào)頻電路

電路原理：電容傳感器與電感元件構(gòu)成調(diào)頻振蕩器

振蕩頻率：，當(dāng)，時(shí)靈敏度高可測(cè)量0.01m位移抗干擾能力強(qiáng)能獲得高電平直流信號(hào)或頻率數(shù)字信號(hào)受溫度影響大

電路特點(diǎn)：4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.1電容式壓力傳感器單膜片電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖：初始電容：

當(dāng)均勻壓力p作用于膜片電極時(shí)，膜片變形，當(dāng)其凸起h<<d0時(shí)，其變形撓度：4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.1電容式壓力傳感器選取微元膜片dS=2

rdr，其微電容：靈敏度

諧振頻率

4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.1電容式壓力傳感器如果考慮膜片厚度，則其撓度:總電容靈敏度

4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.2電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)原理圖4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.2電容式差壓傳感器

選微元：

4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.2電容式差壓傳感器

選微元：

若將CL、CH接入差動(dòng)電橋，其輸出電壓為輸出電壓與差壓

p成正比4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.2電容式差壓傳感器

4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.3電容式加速度傳感器

質(zhì)量塊由彈簧支撐，在殼加速度作用下，質(zhì)量塊在兩固定電極間振動(dòng)，從而改變電容C1、C2值，如圖：4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.4電容式應(yīng)變儀

結(jié)構(gòu)原理如右圖：曲率不同的兩拱弧薄板間安裝兩平板電容器，當(dāng)拱弧的兩固定點(diǎn)受壓縮變形時(shí)，平板電容傳感器兩極板間距改變，從而電容量改變，應(yīng)變

C4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.5電容式荷重傳感器

結(jié)構(gòu)原理如右圖：在彈性鋼板內(nèi)平行圓孔間設(shè)置平行板電容器，當(dāng)鋼板受壓力變形時(shí)，平板電容傳感器兩極板間距改變，從而電容量改變，主要用于重負(fù)載4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.6電容式振動(dòng)、位移測(cè)量?jī)x

結(jié)構(gòu)原理如圖：被測(cè)工件有振動(dòng)或位移，與固定電極金屬板間距離改變，從而電容量改變。4.6電容式傳感器的應(yīng)用

4.6.7電容測(cè)厚儀：軋制金屬厚度在線監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)原理如圖：d