电容式传感器学生

1、2021-11-261第第5章章 电容式电容式传感器传感器p 工作原理工作原理p 测量电路测量电路 今日要点今日要点1、变极距型变极距型电容传感器电容传感器变面积型变面积型电容传感器电容传感器3、变介质型变介质型电容传感器电容传感器 1.调频调频电路电路2.运算放大器式运算放大器式电路电路3.二极管双二极管双T型型交流电桥交流电桥4.脉冲宽度调制脉冲宽度调制电路电路2021-11-263第五章第五章 电容式传感器电容式传感器将被测量的变化转化为电容量变化的一种传感器。将被测量的变化转化为电容量变化的一种传感器。5.5.1 基本原理与结构类型基本原理与结构类型一、基本原理一、基本原理平行平面型电

2、容平行平面型电容dSc d dS S结构图Principle2021-11-264当极板间有多层介质时：当极板间有多层介质时：nndddSc 2211d dS Sd1d1d2d2示意图示意图d1,d2分别是各层的厚度分别是各层的厚度 1 1, , 2 2是各层的介电常数是各层的介电常数二、结构类型二、结构类型按改变的参数：按改变的参数： 变极距、面积、介质变极距、面积、介质按被测位移量：按被测位移量： 线位移、角位移线位移、角位移按组成的方式：按组成的方式： 单一式、差动式单一式、差动式按极板的形状：按极板的形状： 平行平面型、平行曲面型平行平面型、平行曲面型Classify2021-11-2

3、65平行曲面型电容平行曲面型电容l2r2R示意图示意图)(rRL)/ln(2rRLc当当rR3r()2L RrLrcRrRr当当2021-11-266三、按改变的参数的电容传感器三、按改变的参数的电容传感器1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 change distance1). a a 空气介质变极距型空气介质变极距型 (单一式单一式 single type)灵敏度灵敏度:000011)(ddddcccK 初始时初始时：00dSc 移动后移动后：0001=1Sccdddd dC电容与极板的关系电容与极板的关系Cf（d） 关系关系2021-11-267000cd1dcd1d一般的变极板间

4、距传感器一般的变极板间距传感器主要应用于主要应用于微位移微位移的测量的测量c20100pf, d25200um, d d2 210um10umC1C2Od1d2Cd当当 时时略去高次项略去高次项00cdcd近似线性近似线性d1 d2300000cdddd1cdddd+2021-11-268考虑二次项：考虑二次项：000cdd1cdd非线性误差：非线性误差：2000ddd100%=100%ddd灵敏度：灵敏度：000(cc ) c1Kdd2021-11-269b 空气介质变极距型空气介质变极距型 (差动式差动式 differential type)c1c2ddx移动后两极板移动后两极板电容分别为

5、电容分别为01000011SS ddccdddd d02000011SS ddccdddd d则差动电容：则差动电容：02121ddcccc 2021-11-2610当当 时时d1 d2310000dddcc1ddd2320000dddcc1-ddd由此可得出由此可得出非线性误差非线性误差32000d2dd100%=100%dd2d+35120000dddCccc222ddd+240000Cddd21Cddd+sensitivitynonlinearity2021-11-2611change area 1.线位移线位移式变面积型式变面积型00blcd初始时：初始时：001lccl移动后：移动后

6、：00clcl相对变化：相对变化：001c ckll灵敏度：灵敏度：ll0db定极板定极板动极板动极板输出特性为输出特性为2021-11-2612例题例题已知已知变面积型电容器的两极板变面积型电容器的两极板间距离为间距离为d=10mm,=50F/m,两两极板几何尺寸一样极板几何尺寸一样, l0=30mm,b=20mm，在外力的作用下，其，在外力的作用下，其中动极板在原位置上向外移动中动极板在原位置上向外移动了了l=10mm，求求C=? K=?301. 003. 002. 050ocll0db定极板定极板动极板动极板00blcd解解：100llcc03. 0110lk2021-11-26132.

7、 角位移角位移式变面积型（式变面积型（差动结构差动结构）2021-11-26142. 角位移式变面积型（角位移式变面积型（差动结构差动结构）2021-11-2615初始时：初始时：d为极间距离，动极板转动为极间距离，动极板转动后后0011 cc0012cc02112 cccc则：则：()()02202222000 .drRdrRCCCBCAC2021-11-2616初始时：初始时：d为极间距离，动极板转动为极间距离，动极板转动后后0011 cc0012cc02112 cccc则：则：rR0OACBl0002200rRrlrRlrCCCBCAB2021-11-26173、变介质型电容传感器、变介

8、质型电容传感器 change dielectric constant 测位移测位移, 湿度湿度, 厚度厚度()001202rlbcccd()()1200141rrlcccccl 1212121rrcclccl或初始时：初始时：l 偏离偏离 时时llld0( measuring object )2021-11-2618设：被测介质的介电常数为设：被测介质的介电常数为1, 液面高度为液面高度为h, 变换变换器总高度为器总高度为H, 内筒外径为内筒外径为d, 外筒内径为外筒内径为D, 则则此时变换器电容值为此时变换器电容值为 dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhcl

9、n)(2102021-11-2619n变介质型电容传感器有较多的结构型式变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度, 也可也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。固体介质的湿度。 电容器的损耗电容器的损耗:ABL RSRPCRp 极板间泄漏电阻与介质损耗极板间泄漏电阻与介质损耗RS 引线电阻（高频）引线电阻（高频） L 电容器本身和外部引线电感电容器本身和外部引线电感equivalent circuit 2021-11-2620有效电容有效电容实际相对变化量：实际相对变化量：

10、21eCCLCwmeasuring circuit n电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小小, 不能直接为目前的显示仪表所显示不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为也很难为记录仪所接受记录仪所接受, 不便于传输。不便于传输。n电容转换电路有电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。等。ABL RSRPCLCCCCCee21/w2021-11-2621调频测量电路调频测量电路n调频测量电路把电容式传感调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐

11、振回路的一器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量部分。当输入量导致电容量发生变化时发生变化时, 振荡器的振荡振荡器的振荡频率就发生变化。频率就发生变化。12xCCCC固有电容固有电容+引线分布电容引线分布电容+传感器电容传感器电容12fLCfrequency modulation2021-11-2622.0ixCUUC n调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以可以测至测至0.01m级位移变化量级位移变化量。频率输出易于用数。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强抗干扰能力强, 可可以发送、接收以实现遥

12、测遥控。以发送、接收以实现遥测遥控。01212012 () fffcccc Loperational amplifier运算放大器式电路运算放大器式电路2021-11-2623n运算放大器的放大倍数运算放大器的放大倍数K非常大非常大, 而且输入而且输入阻抗阻抗Zi很高。运算放大器可以作为电容式很高。运算放大器可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。传感器的比较理想的测量电路。n如果传感器是一只平板电容如果传感器是一只平板电容, 则则cx=A/d, 则则有有dAcUUi02021-11-2624二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥差动电容传感器差动电容传感器高频电源高频电源(对称方波对称方波

13、)R1 = R2 = RVD1、VD2特性相同特性相同diode AC bridge with Double T shape2021-11-2625当当e为为正半周正半周时时, 二极管二极管VD1导通、导通、VD2截止截止+-diode AC bridge with Double T shape2021-11-2626当当e为为负半周负半周时时, 二极管二极管VD2导通、导通、VD1截止截止-+diode AC bridge with Double T shape2021-11-2627其输出在一个周期内的平均值为其输出在一个周期内的平均值为122(2)()LLiLR RRR U f ccRR

14、TRIULL10dttItIT)()(201LR12iMU f cc电源幅值和频率电源幅值和频率电容电容C1和和C2的差值的差值可以测量高速的机械运动可以测量高速的机械运动2021-11-2628脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路比较器比较器参考电压参考电压u1modulator circle of pulse length2021-11-2629高电位通过高电位通过R1对对C1充电充电, 时间常数为时间常数为1 = R1 C1,高电位通过高电位通过R2对对C2充电充电, 时间常数为时间常数为2=R2C2当差动电容器的当差动电容器的C1 = C2时时, 其平均电压值为零。其平均电压值为零。202

15、1-11-2630p当差动电容当差动电容C1 C2且且C1 C2时时,1 = R1 C12 = R2 C2 p由于充放电时间常数变化由于充放电时间常数变化, 使使电路中各点电压波形产生相电路中各点电压波形产生相应改变。应改变。 p此时此时uA、uB脉冲宽度不再相脉冲宽度不再相等等, 一个周期一个周期(T1+T2)时间内其时间内其平均电压值不为零。此平均电压值不为零。此uAB电电压经低通滤波器滤波后压经低通滤波器滤波后, 可获可获得输出。得输出。21211)(TTTTUuuuBAABmodulator circle of pulse length2021-11-2631 当差动电容当差动电容C1

16、 = C2 = C0, 即即d1 = d2 = d0时时, uAB = 0; 若若C1 C2, 假设假设C1 C2, 即即d1 =d0 -d, d2 = d0+d, 则则22 221rUTR C lnUU11 111rUTR C lnUU12121UCCCCuAB Ur为参考电压，把平行板电容的公式代为参考电压，把平行板电容的公式代入入, 在变极板距离的情况下可得在变极板距离的情况下可得12112UdddduAB1UdduABmodulator circle of pulse length2021-11-2632 作业homework2021-11-2633五、应用五、应用1.电容压力传感器电

17、容压力传感器 当压力当压力P1、P2变化时，膜片变化时，膜片3和和金属层金属层2组成差动组成差动电容发生变化，且电容发生变化，且与压差与压差pP1-P2成正比。成正比。application 2021-11-26342.电容转速传感器结构电容转速传感器结构1-齿轮齿轮 2-定极板定极板 3-电容传感器及测量电路电容传感器及测量电路 4-频率计频率计 电容传感器产生周期电容传感器产生周期电信号，经测量电路转换电信号，经测量电路转换成脉冲信号，用频率计显成脉冲信号，用频率计显示齿轮转速。示齿轮转速。2021-11-2635 3.CS-LAS系列加速度传感器系列加速度传感器 该加速度传感器是建造在硅

18、晶片该加速度传感器是建造在硅晶片顶部的表面顶部的表面MEMS多硅多硅结构。多晶硅结构。多晶硅簧片悬浮在晶片表面的结构，并提供簧片悬浮在晶片表面的结构，并提供一个一个克服加速度感应力克服加速度感应力的阻力。用包的阻力。用包含两个独立的固定板和一个与运动质含两个独立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的块相连的中央板形成的差动电容器差动电容器机机构，测量量构，测量量比例比例于加速度的多硅结构于加速度的多硅结构的的偏转偏转，从而产生电压输出信号。，从而产生电压输出信号。2021-11-26361-固定电极固定电极 2-绝缘垫绝缘垫 3-质量块质量块 4-弹簧弹簧 5-输出端输出端 6-壳体壳体

19、a2021-11-2637 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时线加速运动时, 质量块在质量块在惯性惯性空间中相对静止空间中相对静止, 而而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化间隙发生变化, 一个增加一个增加, 一个减小一个减小, 从而使从而使C1、 C2产生大小相等、符号相反的增量产生大小相等、符号相反的增量, 此增量此增量正比于正比于被测加速度被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应电

20、容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼大多采用空气或其它气体作阻尼物质。物质。2021-11-2638电容式料位传感器电容式料位传感器 测定电极安测定电极安装在罐的顶部装在罐的顶部, 这这样在罐壁和测定样在罐壁和测定电极之间就形成电极之间就形成了一个电容器。了一个电容器。2021-11-2639 当罐内放入被测物料时当罐内放入被测物料时, 由于被测物料由于被测物料介电常介电常数数的影响的影响, 传感器的电容量将发生变化传感器的电容量将发生变化, 电容量变化电容量变化的大小与被测物料在罐内高度成比例变化。检测出的大小与被测物料在罐内高度成比例变化。检测出这种电容量的变