Ch-34 电容式传感器(第三版)

1、上节内容回顾1、电涡流传感器的工作原理 ：涡流效应2、电涡流传感器的分类高频反射式低频透射式3、电涡流传感器的应用 ：位移、振幅、厚度、转速等本章主要内容电容式传感器的工作原理和主要性能电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器等效电路电容式传感器测量电路电容式传感器的应用3.3.1 电容式传感器的工作原理1. 工作原理及类型2. 变极距型电容式传感器3. 变面积型电容传感器4. 变介电常数型电容传感器什么是电容器？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。电容导体上的电荷导体之间的电压差电容器式传感器是一种将被测量的变化转换为电容量变化的传感器C ？UQ1. 工作原理+A两

2、平行极板组成的电容器,它的电容量为: 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。C ？AAr0电 容 式 传 感 器极距变化型电容传感器面积变化型电容传感器介质变化型电容传感器圆筒形极板电容器,它的电容量为:rRlCrln202. 变极距型电容传感器AC dAdC22dCACkd 2. 变极距型电容传感器 110000CssCCCrr）（若极距缩小 200001CCCC

3、200001CC0L非线性随极板间距非线性随极板间距的减小而增大的减小而增大2. 变极距型电容传感器CAddCS2提高灵敏度应减小间距电容器击穿非线性误差增大：在极板间放置云母片：采用差动型灵敏度随极板间灵敏度随极板间距的减小而增大距的减小而增大2. 变极距型电容传感器 2000021CC20）（L 2000011CC200012CC02CCS差动型122. 变极距型电容传感器3. 变面积型电容传感器3. 变面积型电容传感器传感器灵敏度传感器灵敏度dxbCr0常数dbdxdCSr0直线位移型直线位移型灵敏度为常数灵敏度为常数传感器灵敏度传感器灵敏度dSCr00常数dSddCSr00角角位移型位

4、移型00rSd 灵敏度为常数灵敏度为常数3. 变面积型电容传感器3. 变面积型电容传感器Rr0ll)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC常数00lClCS3. 变面积型电容传感器4. 变介电常数型电容式传感器d00/ )(rddACAACr0rAAC0/4. 变介电常数型电容式传感器02010021)(dLLLbCCCrr02001dLbCr插入板料厚度和极板间距相等001002)(dLLbCr0200010000100dLbdLbdLbCrrr02000010dLbdLbCrr4. 变介电常数型电容式传感器01000100200021)(/ )(/d

5、LLbdddLbCCCrrr1002001/ )(/rrdddLbC插入板料厚度为d001002)(dLLbCr4. 变介电常数型电容式传感器dDHCln20初始电容 电容式液位传感器 )()(21dDlnhHC)(212dDlnhC)(2)()(21dDlnhdDlnhHC)()(210dDlnhC3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 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3.3.3 电容式传感器等效电路3.3.4 电容式传感器测量电路3.3.5 电容式传感器的应用3.3.2 传感器的特点和设计要点 1. 特 点2. 设计要点1、特点 优点:1.

6、 温度稳定性好2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量动态响应好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。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，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作，特别适合动态测量。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，如测量振动、瞬时压力等。缺 点：1、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，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交

7、流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、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、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“寄生电容”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(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，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，保证绝缘材料的绝缘性能 消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 尽可能采用差动式电容传感器 (1)减小温度、湿度误差、保证高的绝缘性能 电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（

8、电极可做得薄，减小边缘效应） ：空气或云母（介电常数温度系数近为0）：用以防尘、防潮 采用、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、 产生非线性 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围 等位环 结构 边 缘 电 场均 匀 电 场33211、2 电极 3等位环(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 （b）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。（d）尽可能一点接地，

9、避免多点接地 (5)差动技术的运用 减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路3.3.6 电容式传感器的应用3.3.7 容栅式传感器低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻ReRg CRg高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer reCLRCjLjC

10、je11LCCCe21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R很小可以忽略，因此 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kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。 3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.3.6 电容式传感器的应用3.3.7 容栅式传感器3.3.5 电

11、容式传感器测量电路 (1) 调频电路(1) 调频电路01012()ifCCCL1012()ifCCCC L LCf2110iCCCC振荡回路固有电容振荡回路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当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，01012()ifL CCC当被测信号不为零时，c0，此时频率为 01012()ifffL CCCC具有较高的灵敏度，可测至0.01m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 (2)运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图cbI&a

12、mp;iI&cxI&iU&0U&KxCCaaU&(2)运算放大器式电路 1icbaUIUj C&cxcbiIII&01cxaxUIUj C&0ixCUUC &0,0aUI&QcbI&iI&cxI&iU&0U&KxCCaaU&由运算放大器工作原理可知 ( )/xCSd假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 0ixCUUC &0iU CUdS &(3)二极管双T型电路 电源为正半周

13、D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 电路的特点 :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；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。 3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路3.3.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.3.7 容栅式传感器3.3.6 电容式传

14、感器的应用 (1) 电容式差压传感器(2) 电容式振动位移传感器(3) 电容式加速度传感器P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 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 0RMMRCVCVRRMMCVCV可变电压VM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。3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路3.3.6