传感器3章电容

1、2014Ad图 3.1.1 平 板 电 容2014Ad图3.1.1 平板电容2014dxbCdxabC0axCxdbCCC00dbxCK)1 ()1 (0CdACbdax x图 3.1.2 直 线 位 移 型电 容 式 传 感 器xxxa)b)c)图3.1.3 变面积式电容传感器的派生型a)角位移型 b)齿形极板型 c)圆筒型2014)()(0 xdbCndxabnCxdbnnCCC0dbnxCK图 3 . 1 . 5 介 质 面 积 变 化 的 电 容 传 感 器CBCAxxld1d21212d图 3 . 1 . 4 变 间 隙 式 电 容 传 感 器1 固 定 极 板 2 - - 活 动

2、极 板dAC022011dxdxCxdAC1122dx)1(0dxCC2014图 3.1.5 介 质 面 积 变 化 的 电 容 传 感 器CBCAxxld1d21212d图 3.1.4 变 间 隙 式 电 容 传 感 器1 固 定 极 板 2-活 动 极 板2 2BACCC1212211/ )()(;/ddxlbCddbxCBA2110ddblC)11 ()(CC21212101212211BAddlxCddxlbddbxC2014设设 1，可以忽略高次项，得到近似的线性关系为：，可以忽略高次项，得到近似的线性关系为： 0dd00ddCC变极距式电容传感器的灵敏度为：变极距式电容传感器的灵敏

3、度为： （常数），若取一、二次项得到：（常数），若取一、二次项得到： 00dCdCKn0001ddddCC传感器的相对非线性误差（线性度）为：传感器的相对非线性误差（线性度）为： %100%100)()(0020dddddd在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构，如右图所示。若极距发生变化，则有动式结构，如右图所示。若极距发生变化，则有差动平板式电容传感器结构差动平板式电容传感器结构 302000001)()(111ddddddCddCC302000002)()(111ddddddCddCC除变极距型电容传感器外，其

4、它两种电容传感器的输入量与输出电容量之间均为线性关系，除变极距型电容传感器外，其它两种电容传感器的输入量与输出电容量之间均为线性关系，故本节只讨论变极距型平板电容传感器的输出特性（故本节只讨论变极距型平板电容传感器的输出特性（线性度和灵敏度线性度和灵敏度）。）。电容的相对变化量为：电容的相对变化量为： 按极数展开得按极数展开得 3020000)()()(1ddddddddCC1000)1 (ddddCC2014电容相对变化量为：电容相对变化量为： 300021)(22ddddCCCC略去高次项，则得灵敏度为：略去高次项，则得灵敏度为： dcdCKn002非线性误差为：非线性误差为： %100%

5、100)()(20030dddddd由上分析可知，电容式传感器做成差动式结构之后，其非线由上分析可知，电容式传感器做成差动式结构之后，其非线性大大减小，而其灵敏度提高了一倍。同时，差动式传感器性大大减小，而其灵敏度提高了一倍。同时，差动式传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效改善因温度还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效改善因温度等环境影响所造成的误差。等环境影响所造成的误差。 3.3 电容传感器的电容传感器的等效电路（略）等效电路（略）20143.4 3.4 电容式传感器的常用测量电路电容式传感器的常用测量电路+-C1C2R2R1V2V1RLu图 3.2.1 双 T电 桥 电

6、 路uiu0图 3.2.2 运 算 放 大 器 式 测 量 电 路C0Cx2014当电源电压确定当电源电压确定后后, , 输出电压输出电压UoUo是电容是电容C1C1和和C2C2的函的函数。数。)C-U(CR)R(R)2RR(Ru21L2LL0+-C1C2R2R1V2V1RLu图 3.2.1 双 T电 桥 电 路uiu0图 3.2.2 运 算 放 大 器 式 测 量 电 路C0Cx2014x0i0CCuudACxdACuu0i0+-C1C2R2R1V2V1RLu图 3.2.1 双 T电 桥 电 路uiu0图 3.2.2 运 算 放 大 器 式 测 量 电 路C0Cxv从原理上解决了单电容变间隙

7、传从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。感器的非线性问题。v实际上，实际上，Zi，K ，所以，所以，存在一定非线性，存在一定非线性， Zi 、K很大，非很大，非线性很小。线性很小。vU0与与C0、U有关，所以需要高精有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容度交流稳压源、高质量电容C Cv特别适合于结构上不能用差动电特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。容传感器的场合。2014双稳态触发器+-+-C1C2R2R1+-N1N2N3V1V2RSuru0PMNBQQA图3.2.3 差动脉冲宽度调制电路2014u1uAu1uAu1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT

8、2u1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT2图 3.2.4 电 压 波 形 图201412121121212110uTTT-TuTTT-uTTTu121210uCCC-Cuu1uAu1uAu1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT2u1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT2图3.2.4 电压波形图2014LC21fv无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。通滤波器引出即可。v不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极

9、性方向和大小不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性方向和大小输出的直流信号。输出的直流信号。v要求交流稳压（精度较高的电源），但对稳定性无要求。要求交流稳压（精度较高的电源），但对稳定性无要求。v由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要求不高。由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要求不高。 调频式信号调节电路调频式信号调节电路 2014MHzMHzC)CCL(C21ffc010 调频式信号调节电路调频式信号调节电路 )CCL(C21fc010LC21f201420142014 在软包装液体生产线在软包装液体生产线(牛奶或其它牛奶或其它饮料的生产线等饮料的生产线等)上，由于灌装

10、设备上，由于灌装设备的故障，有漏装或少装的情况发生。的故障，有漏装或少装的情况发生。采用电容式接近开关，可以检测纸袋采用电容式接近开关，可以检测纸袋中中(或塑料袋中或塑料袋中)有无液体或是否装足有无液体或是否装足装够的情况，如图所示。装够的情况，如图所示。3 作为开关用来检测软包装内的液体作为开关用来检测软包装内的液体 当电容式接近开关检测到无牛奶或当电容式接近开关检测到无牛奶或未装足牛奶的纸袋时，给出一个开关未装足牛奶的纸袋时，给出一个开关信号，等移动一个距离时，由推杆将信号，等移动一个距离时，由推杆将不合格产品推出。不合格产品推出。 这里需要指出的是，可以透过罐、这里需要指出的是，可以透过

11、罐、管道、瓶、纸袋、塑料袋来检测，但管道、瓶、纸袋、塑料袋来检测，但它们必须是非金属材料制成的。它们必须是非金属材料制成的。 20144、非接触电容式位移传感器非接触电容式位移传感器 非接触电容位移传感器可测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置。非接触电容位移传感器可测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置。由于采用屏蔽环结构，无须附加电子线路，可实现高的线性测量。具有特由于采用屏蔽环结构，无须附加电子线路，可实现高的线性测量。具有特别高的分辨率，以及稳定性。由于采用线性化措施，对绝缘材料也能测量。别高的分辨率，以及稳定性。由于采用线性化措施，对绝缘材料也能测量。电容位移传感器使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感电容位移传感器使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感器间隙中，都将影响测量结果。器间隙中，都将影响测量结果。2014位移测量 弯曲、波动弯曲、波动变形变形移动、位移移动、位移位置、膨胀位置、膨胀振动