N-34 电容式传感器

1、3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理1. 工作原理及类型工作原理及类型2. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器3. 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器4. 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器什么是电容

2、器？电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。空隔开的电导体构成。电容电容导体上的电荷导体上的电荷导体之间的电压差导体之间的电压差QCV1. 工作原理0 rSSCdd S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； d 极板间距离；极板间距离； r相对介电常数；相对介电常数； 0真空介电常数（真空介电常数（8.85pF/m）；）； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。 S变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )

3、型型: （i）(l) 2. 变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为方向平移时，其电容变化量化为0000()rrrax bCCCdabxbdd C与与x间呈线性关系间呈线性关系 电容式角位移传感器 0000dsCr0000(1)(1)rsCCd 当当=0时时 当当0时时传感器电容量传感器电容量C与角位移与角位移间呈线性关系，但如果输出是间呈线性关系，但如果输出是 ，则是非线性关系。则是非线性关系。 01Xj C3. 变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHC

4、ln20初始电容初始电容 电容式液位传感器电容式液位传感器 电容与液位的关系为：电容与液位的关系为： 02010021)(dLLLbCCCrr当当L=0时，传感器的初始电容时，传感器的初始电容 0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为深度后，引起电容相对变化量为02000) 1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L呈线性关系呈线性关系 4. 变极距型电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非线性关系非线性关系 若若d/d103kv/mm)或塑料膜来或塑料膜来改

5、善电容器耐压性能改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度差动结构也可提高灵敏度2. 非线性变极距型变极距型 0011/ddCCCddddd d/1d d将上式展开成泰勒级数得将上式展开成泰勒级数得 2301ddddCCdddd/1d d0(/)CCd dd 取值不能大，否则将降低灵敏度取值不能大，否则将降低灵敏度 11()0.01 0.9105ddmmm采用差动形式，并取两电容之差为输出量采用差动形式，并取两电容之差为输出量 24021dddCCddd差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗如果采用容抗 作为电容式传感

6、器输出量作为电容式传感器输出量XCC1/() 11cXdCS dd被测量与被测量与d 成线性关系成线性关系 无需满足无需满足3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.3 传感器的特点和设计要点 1. 特特 点点2. 设计要点设计要点1、特点 优点优点

7、:1. 温度稳定性好温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身（电容值与电极材料无关本身 发热极小发热极小 ）2. 结构简单、适应性强结构简单、适应性强 3. 动态响应好动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应动态响应好动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受敏，分辨率非常高，能感受0.001 m甚至更小的位移甚至更小的位移 可动部分可做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性可动部分

8、可做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。动、瞬时压力等。缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范到几百皮法，

9、使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达围内的交流电源时，输出阻抗高达106108 。因此传感器负因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等容等“寄生电容寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容另一方面这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变

10、化的，将使传感常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度器工作不稳定，影响测量精度 2. 设计要点 减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证 绝缘材料的绝缘性能绝缘材料的绝缘性能 消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界 干扰干扰 尽可能采用差动式电容传感器尽可能采用差动式电容传感器 (1)减小温度误差、保证高的绝缘性能 ：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极可做得薄，减小边缘效

11、应） ：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 ：空气或云母：空气或云母 （介电常数温度系数近为介电常数温度系数近为0） 传感器密封，用以防尘、防潮传感器密封，用以防尘、防潮 采用采用、测量电路来减小温度等误差、测量电路来减小温度等误差 (2). 消除和减小边缘效应 危害：灵敏度降低、危害：灵敏度降低、 产生非线性产生非线性 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比适当减小极间距，

12、使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围并有可能限制测量范围 (3) 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰（a）屏蔽和接地）屏蔽和接地 （b）增加初始电容值，降低容抗。）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线 要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列， 若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地）尽可能一点接地，避免多点接地 (5)

13、差动技术的运用 减小非线性误差减小非线性误差提高传感器灵敏度提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响温度、湿度等环境因素的影响3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.4 电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和

14、电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略等效电容等效电容C=C0+Cp，等

15、效电阻等效电阻ReRg CRg高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的影的影响不可忽略，漏电的影响可忽略响可忽略 ，其中，其中C=C0+Cp，而，而rer reCLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为此时电容传感器的等效灵敏度为 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由当电容式传感器的供电电源频

16、率较高时，传感器的灵敏度由kg变变为为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化变化而变化。而变化。 3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.5 电容式传感器测量电路 (1) 调频电路调频

17、电路(2) 运算放大器电路运算放大器电路(3) 双双T型电桥电路型电桥电路(4)脉宽调制调频电路脉宽调制调频电路(1) 调频电路)(212101CCCCLLCfi当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一固有振荡频率，振荡器有一固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 (2). 运算放大器式电路 ：能克

18、服变极距型电容传感器的非线性能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容是传感器电容C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()( )/xCSd0 uCudS 结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性假设放大器开环放大倍数假设放大器开环放大倍数A= ，输入阻抗，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般但一般A和和Zi足够大，所

19、以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。 (3)二极管双二极管双T型电路型电路 电源为正半周电源为正半周D1短路短路D2开路，开路，电容电容C1被充电被充电影响不予考虑，影响不予考虑，电容电容C2的电压的电压初始值为初始值为UE 若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供电电压是幅值为供电电压是幅值为UE、周期为、周期为T、占空比为、占空比为50%的方波的方波可直接得到电容可直接得到电容C2的电流的电流iC2如下如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112d

20、diURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在在 R+(RRL)/(R+RL) C2T/2时，电流时，电流iC2的平均值的平均值IC2可以写成可以写成 故在负载故在负载RL上产生的电压为上产生的电压为 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容同理，可得负半周时电容C1的平均电流的平均电流IC1为为 ITRRRRU CCLLE1112 电路的特点 :线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响

21、灵敏度，要求它们高度电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；稳定；输出阻抗为输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器感器 。 优点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也

22、不高 (4). 差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间；的充电时间； U1触

23、发器输出的高电位。触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设R1=R2=R，则得 UCCCCUr01212：设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d1、d2和和S1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 21021EddUUddEUSSSSU12210差动脉冲调宽电路能适用于任何差动差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性式电容式传感器，并具有理论上的线性特性 3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作

24、原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.6 电容式传感器的应用 (1) 电容式差压传感器电容式差压传感器(2) 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器(3) 电容式加速度传感器电容式加速度传感器(4) 电容式重量传感器电容式重量传感器(5) 电容式应变传感器电容式应变传感器(6) 电容式指纹识别

25、传感器电容式指纹识别传感器P2玻璃盘玻璃盘镀金层镀金层金属金属膜片膜片C2电极引线电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(约约100ms)能测微小压差能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 0RMMRCVCVRRMMCVCV可变电压可变电压VM与测头的位置成比例与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板固定极板 2壳体壳体

26、3簧片簧片 4 质量块质量块 6 绝缘体绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 在弹性刚体内平行圆孔间设置平行在弹性刚体内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，两极板电容器，当钢板受压力变形时，两极板之间的间距改变，从而改变电容量，板之间的间距改变，从而改变电容量，这种传感器主要用于重载荷测量。这种传感器主要用于重载荷测量。 在曲率不同的两个拱弧薄板间安装在曲率不同的两个拱弧薄板间安装平行板电容器，当拱弧两固定端受力变平行板电容器，当拱弧两固定端受力变形时，平行板电容器距离发生改变，从形时，平行板电容器距离发生

27、改变，从而改变电容量。而改变电容量。 人体的手指是一个导体，当手指靠人体的手指是一个导体，当手指靠近电容板时，会使得电容发生变化，再近电容板时，会使得电容发生变化，再接上后续的测量电路，即可探测出电容接上后续的测量电路，即可探测出电容是否发生变化，也就知道手指是否存在。是否发生变化，也就知道手指是否存在。3.4 电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测

28、量电路3.4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.7 容栅式传感器容栅式传感器3.4.7 容栅式传感器 (1) 基本类型及工作原理基本类型及工作原理(2) 容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式(3) 信号处理方式信号处理方式(4) 容栅式传感器应用容栅式传感器应用(1) 基本类型及工作原理 l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状长容栅abnCmaxn动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度CCmax0aW3a2Wx柱状圆容栅22122maxrranCr2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径 a 每条栅极片对应的圆心角（rad）(2) 容栅传感器电极的结构形式 （a

29、）直电极反射式）直电极反射式（b）直电极透射式）直电极透射式（c）反射式）反射式L型电极型电极(a) 直电极反射式结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大 (b) 直电极透射式测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难 (c) 反射式L型电极增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性 (3) 信号处理方式鉴幅式测量电路鉴幅式测量电路系统可达到系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使分辨力，主要在测长仪上使用。用。鉴相式测量电路鉴相式测量电路系统分辨力为系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。等数显量具上使用。 （a）鉴幅式测量系统0)()(21BmAmCUUCUU01221)(21lxUUUUUm（b）鉴相式测量系统tsincostcoslxUC)tsin(UlxlC)tsin(UCtsinUC)tsin(UC)tsin(UlxCQmmmmmmM14221244200000000式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值； 发射电极激励信号基波电压的频率。 alx021b14cos2tbabtbaabaUCQmMsincos2222220设 tbaUCQmMsin220设 sin22baacos22bab14cos221arctanarcta