第二章电容传感器(2)

1、天津工业大学天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 主讲主讲 王红一王红一内容回顾内容回顾 导体或半导体材料在外应力作用下，会产生机械变形，其电阻值导体或半导体材料在外应力作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为也将随着发生变化，这种现象称为电阻应变效应电阻应变效应。金属电阻应变片金属电阻应变片半导体式应变片半导体式应变片SLR形变导致电阻变化起主导作用，形变导致电阻变化起主导作用，电阻率变化很小可忽略。电阻率变化很小可忽略。性能稳定，精确度高，变形量性能稳定，精确度高，变形量偏大，线性度好。偏大，线性度好。灵敏度系数较小（灵敏度系数较小（2.42.6），）

2、，对粘贴工艺要求严格。对粘贴工艺要求严格。半导体材料的电导率变化起主要半导体材料的电导率变化起主要作用，形变可忽略。作用，形变可忽略。灵敏系数大，弹性元件与应变电灵敏系数大，弹性元件与应变电阻集成一体。阻集成一体。电阻和灵敏系数的温度系数大、电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大。非线性大和分散性大。内容回顾内容回顾2. 电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路（1 1）直流电桥平衡条件）直流电桥平衡条件（2 2）输出灵敏度）输出灵敏度（3 3）温度补偿）温度补偿1012REURERRnnU11201110RREU第二章第二章 电阻应变式与电容式传感器电阻应变式与电容式传感

3、器2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2 电容式传感器电容式传感器2.2.1 电容式传感器的特点电容式传感器的特点2.2.2 电容式传感器的电容式传感器的工作原理工作原理2.1.3 电容式传感器的电容式传感器的测量电路测量电路2.1.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2.2 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器（电容式传感器（capacity transducer/sensor）是以）是以电容电容器器作为传感元件，作为传感元件，将被测物理量转换为电容的变化量将被测物理量转换为电容的变化量，再经转，再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它不换电路转换成电压、电流

4、或频率等信号输出的测量装置。它不但广泛应用于但广泛应用于位移、振动、角度、加速度位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，等机械量的精密测量，而且可以用于而且可以用于压力、压差、液位、成分含量压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。等方面的测量。2.2.1 电容式传感器的特点电容式传感器的特点优点：优点：l 精度可达精度可达0.075。l 灵敏度高：利于微压测量。灵敏度高：利于微压测量。l 动态响应好：适合动态信号测量。动态响应好：适合动态信号测量。l C/C相对变化量大：相对变化量大：3050 输出信号大、抗干扰能力强。输出信号大、抗干扰能力强。l 结构简单，环境适应性强，工作稳定性优良。

5、结构简单，环境适应性强，工作稳定性优良。l 抗过载能力强，过载消除后可恢复正常工作。抗过载能力强，过载消除后可恢复正常工作。l非接触式测量。非接触式测量。缺点：缺点：l 安装方位有影响；安装方位有影响；l 存在分布电容的影响；存在分布电容的影响；l 测量膜片工作特性存在非线性。测量膜片工作特性存在非线性。l 制造难度大：（微位移：制造难度大：（微位移：0.1mm），加工精度要求高。），加工精度要求高。l 开环开环 误差按误差按1：1 传递。膜片微小蠕变、测量电路误差传递。膜片微小蠕变、测量电路误差 影响影响整机性能。整机性能。2.2.2 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 平板电容式

6、传感器由两个金属极板，中平板电容式传感器由两个金属极板，中间夹一层电介质构成。在不考虑边缘效应的间夹一层电介质构成。在不考虑边缘效应的情况下，其电容量为：情况下，其电容量为：0rAACdd （2-34）A 为电容两平行板所遮盖的面积；为电容两平行板所遮盖的面积； 为极板间介质的介电常数（为极板间介质的介电常数（F/m）；）； 是极板间介质相对介电常数；是极板间介质相对介电常数； 是自由空间（真空）介电常数是自由空间（真空）介电常数, ;d 为两平行板间距离为两平行板间距离(m)r1208.854 10F/m0 由式由式 (2-34) 可知，当可知，当 A 、 和和 d 三个变量发生变化时，三个

7、变量发生变化时，电容量电容量C将随之发生变化。通常情况下保持其中两个变量不变，将随之发生变化。通常情况下保持其中两个变量不变，只改变另一个变量，然后把其变化转换成电容量的变化，通只改变另一个变量，然后把其变化转换成电容量的变化，通过测量电路将其转换成电量输出。据此，电容式传感器分为过测量电路将其转换成电量输出。据此，电容式传感器分为三种：三种：变极距型电容式传感器、变面积型电容式传感器和变变极距型电容式传感器、变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器。介质型电容式传感器。 0rAACdd （2-34）r2.2.2 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 如果极板间的距离变化很小，如果极

8、板间的距离变化很小， ，将上式，将上式 按泰勒级数按泰勒级数展开展开 当电容式传感器的介电常数和面积不变，极板间距离初始值当电容式传感器的介电常数和面积不变，极板间距离初始值为为 ，缩小了，缩小了 ，则其初始电容，则其初始电容 和改变后电容和改变后电容 分别为：分别为： 0dd0C1C00ACd100000111AACCddddddd01d d23100001dddCCddd 由此可见，这时由此可见，这时 和和 近似呈线性关系，所以改变极近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往设计成板距离的电容式传感器往往设计成 在极小范围内变化。在极小范围内变化。1Cdd（当中间极板移动当中间极板

9、移动 后：后：d1000001111AACCddddddd 2000001111AACCddddddd 忽略高次的非线性项：忽略高次的非线性项：1000001ddCCCCdd 若位移量若位移量 很小，且很小，且 ，则电容总的变化，则电容总的变化量量 ，按泰勒级数展开为：，按泰勒级数展开为： d10dd12-CC C 35120000-2dddCCCCddd24000021CdddCddd 电容量的相对变化为：电容量的相对变化为：02CdCd电容的变化量与位移近似呈线性关系电容的变化量与位移近似呈线性关系差动式电容传感器与单一变极距式对比：差动式电容传感器与单一变极距式对比：非线性误差非线性误差

10、灵敏度灵敏度 输出输出差差动动式式单单一一变变极极距距320002100%100%2dddddd20100100%100%dddddd0200CCAKddd020022CCAKddd02CdCdddCC差动式电容传感器的输出量、灵敏度均提高了一倍，差动式电容传感器的输出量、灵敏度均提高了一倍，非线性误差减小。非线性误差减小。 常见的类型有常见的类型有平板式直线位移电容传感器、圆柱式直线位移平板式直线位移电容传感器、圆柱式直线位移电容传感器和角位移式电容传感器电容传感器和角位移式电容传感器三种。三种。000blClCda 随着板的移动，覆盖面积变化，电容量随着板的移动，覆盖面积变化，电容量也随之

11、变化。忽略其边缘效应，则电容的变也随之变化。忽略其边缘效应，则电容的变化量为：化量为：其灵敏度系数为：其灵敏度系数为：0CbKld常数外圆筒内作上下直线运动，外圆柱筒与内圆外圆筒内作上下直线运动，外圆柱筒与内圆柱筒重叠部分长度为柱筒重叠部分长度为 。忽略边缘效应，其。忽略边缘效应，其电容的变化量为：电容的变化量为：0h002lnllCCRhr其灵敏度系数为：其灵敏度系数为：2lnCKRlr常数两半圆重合时的初始电容值为：两半圆重合时的初始电容值为：20002ArCdd 定极板转过定极板转过 时，电容的变化量为：时，电容的变化量为： 0CC其灵敏度系数为：其灵敏度系数为：0CCK常数 综上所述，

12、变面积型电容传感器不论被测量是线位移还是角综上所述，变面积型电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，忽略边缘效应后，位移与输出电容都为线性关系，传感器位移，忽略边缘效应后，位移与输出电容都为线性关系，传感器灵敏度系数为常数。灵敏度系数为常数。0 xx0SCd0 x0 x00()bab laCdd0022lnlnhHCRRrr0022lnlnhHCRRrrla2.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 电容式传感器将被测非电量转换为电容变化后，必须采用测电容式传感器将被测非电量转换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。量电路将其转换为电压、电流或频率信号。（

13、1）紧耦合电感电桥）紧耦合电感电桥1)1(2)(21)(2)(222220CCLCCLCCLCCLUU若若 很小，则：很小，则：C124220LCCLUU紧耦合电感电桥抗干扰能力好，稳定性高，目前已广泛应用于紧耦合电感电桥抗干扰能力好，稳定性高，目前已广泛应用于电容式传感器中。同时，也很适合较高载波频率的电感式和电电容式传感器中。同时，也很适合较高载波频率的电感式和电阻式传感器使用。阻式传感器使用。2.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路（2）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥i2i12i012121j1122jjUCUCC UUCCCC1ACdd2ACdd 又：又：i02Ud

14、Ud可以看出，在放大器输入阻抗极大的情可以看出，在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压与被测量呈线性关系，况下，输出电压与被测量呈线性关系，因此，这种电路又称为调幅电路。因此，这种电路又称为调幅电路。2.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路（3）二极管双）二极管双T形交流电桥形交流电桥0LLUI R L12LL1220L21dTR RRItItt RR E f CCTRR I1， I2 分别为电源电压负、正分别为电源电压负、正半周时，半周时， 负载负载RL上流过的电流。上流过的电流。 选择特性相同的二极管，且选择特性相同的二极管，且R1=R2，C1=C2，电流，电流 I1=I2

15、，且方，且方向相反，在一个周期内的流过负向相反，在一个周期内的流过负载载 RL 的平均电流为的平均电流为0。若若C1C2, LL2L2KR RRRRR令令 ，K为常数为常数 ，则，则012UK E f CC电源频率电源频率2.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路（4）运算放大器电路）运算放大器电路i0ixCUUC 若传感器为平板电容，则若传感器为平板电容，则i0i0CUUdA 输出电压与极板距离输出电压与极板距离 d 是线性关系是线性关系2.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路（5）调频电路）调频电路若电容式传感器尚未工作时，即若电容式传感器尚未工作时，即 ，此

16、时振荡器的频率，此时振荡器的频率为一常数为一常数 f0 x0CC00012fL C当传感器工作时，当传感器工作时， ，则谐振频率的相应变化为，则谐振频率的相应变化为x0CCC 00012ffLCC 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2.2.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2.2.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用其工作原理是：当被测液体的液面在电容传感器的两同心其工作原理是：当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。发生变化。电容式压力（差压）变送器电容式压力（差压）变送器电

17、容式传感器图片展示电容式传感器图片展示陶瓷电容压力传感器（变送器）陶瓷电容压力传感器（变送器） 传感器基底和膜片都采用陶瓷，衬底和膜片电极构成电传感器基底和膜片都采用陶瓷，衬底和膜片电极构成电容，中间无传递液，压力直接作用在陶瓷膜片上。其容，中间无传递液，压力直接作用在陶瓷膜片上。其优点优点是安是安装位置无影响，无污染，抗腐蚀性好、温漂小、过载能力强，装位置无影响，无污染，抗腐蚀性好、温漂小、过载能力强，可测量低微压力；可测量低微压力；缺点缺点差压传感器制作困难。差压传感器制作困难。 电容式传感器图片展示电容式传感器图片展示硅电容压力传感器（变送器）硅电容压力传感器（变送器） 对称的差动电容被

18、刻蚀到单晶硅片上，压力使硅片弯曲，对称的差动电容被刻蚀到单晶硅片上，压力使硅片弯曲，电容器两极间的距离发生了改变，传感器的电容值相应的也变电容器两极间的距离发生了改变，传感器的电容值相应的也变了。这种传感器了。这种传感器兼有电容式和硅传感器的优点兼有电容式和硅传感器的优点，国内外都是研，国内外都是研究热点，并有相关产品，如富士、沈阳传感器研究所等都在研究热点，并有相关产品，如富士、沈阳传感器研究所等都在研究生产，具有很大发展前景。究生产，具有很大发展前景。 电容式传感器图片展示（了解）电容式传感器图片展示（了解） 有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径为有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半