C43 电容传感器

1、C6 电容式传感器l 传感器作用及分类传感器作用及分类l 电阻式传感器电阻式传感器l 电感式传感器电感式传感器l 电容式传感器电容式传感器l 压电式传感器压电式传感器l 磁电式传感器磁电式传感器电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器驱动电缆原理图驱动电缆原理图1 1、传感器；、传感器；2 2、驱动电缆放大器；、驱动电缆放大器；3 3、内屏蔽；、内屏蔽；4 4、信号线；、信号线；5 5、外屏蔽；、外屏蔽；6 6、测量电路；、测量电路；双层屏蔽等电位双层屏蔽等电位传输技术传输技术减小电缆分布电减小电缆分布电容的影响容的影响等电位，控制容等电位

2、，控制容性电流，等效地性电流，等效地消除了引线与内消除了引线与内屏蔽层之间的电屏蔽层之间的电容容10m6.1 6.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器电容器 C C 可以通过改变可以通过改变 S S 极板面积，称变面积型传感器极板面积，称变面积型传感器 极板极板距离，称变极距型传感器距离，称变极距型传感器 介质介电常数，称变介质型传感器介质介电常数，称变介质型传感器平板电容器平板电容器1、定极板；、定极板；2、动极板；、动极板；圆筒形圆筒形1、定极筒、定极筒2、动极筒、动极筒变

3、极距型传感器变极距型传感器测微小的线位移测微小的线位移(0.01(0.01微米零点几毫米微米零点几毫米) )6.1 6.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变面积型传感器变面积型传感器测位移或较大线位移测位移或较大线位移6.1 6.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变介质型传感器变介质型传感器测固体或液体的物位或介质的湿度、密度测固体或液体的物位或介质的湿度、密度6.1 6.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型1 1、变极距型（、变极距型（ d ） 000dSCr初始电容初始电容: 当当 d 减小减小 d 时时 电容电容 C C 增加增加C6.

4、2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性0rssCdd 0-120=8.85 10/rF m真真空空的的介介电电常常数数介介质质的的相相对对介介电电常常数数00dddCCC变极距型变极距型电容式传感器电容式传感器 电容量与极板间电容量与极板间距离的关系距离的关系 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性C C1 C2O d1 d2C C1 C2O d1 d2d00011CCCdd电容相对变化电容相对变化当当|d d/ /d d0 0|1|1时，上式可按泰勒级数展开，可得时，上式可按泰勒级数展开，可得 30200001ddddddddCC1 1、变极距型（、变极距型（

5、 d ） 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性00nCCSdd传感器灵敏度传感器灵敏度1 1、变极距型（、变极距型（ d ） 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性00 CdCd线性 变极距型电容变极距型电容传感器的非线性特性传感器的非线性特性 非线性非线性 30200001ddddddddCC如果考虑式中的线性项及二次项如果考虑式中的线性项及二次项0001CddCdd1 1、变极距型（、变极距型（ d ） 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性非线性误差非线性误差 2000(/)100%/100%/d dd dd d讨论：讨论： 要提高

6、传感器灵敏度要提高传感器灵敏度 应减小初始极距应减小初始极距, ,但初始极距但初始极距 受电容受电容击穿电压击穿电压限制；限制； 非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性 度应限制度应限制相对位移相对位移； 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器 适合测小位移；适合测小位移； 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构差动结构。具有固体介质的变极距型（具有固体介质的变极距型（d ） 动极板动极板定极板定极板2r固体电解质11r空气1d2ds0212rsCdd初始电容初始电

7、容02112rCCsddd变极距型电容式传感器的测试性能变极距型电容式传感器的测试性能 1 1、初始电容一般在、初始电容一般在20 100pF20 100pF之间；之间；2 2、极板间距离在、极板间距离在25 200m25 200m之间；之间；3 3、最大位移一般是间距的、最大位移一般是间距的0.10.1倍以下；倍以下；)(1 20001ddddCC)()(1 3020002ddddddCC6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性d1d上静片上静片下静片下静片动片动片)(2300021ddddCCCC电容的相对变化量电容的相对变化量 电容特征方程忽略高次项得：电容特征方程忽略高

8、次项得： 电容的总变化量电容的总变化量)()(1 2402000ddddddCC002ddCC0012/ddCCK 传感器（差动式）灵敏度传感器（差动式）灵敏度 相对非线性误差为相对非线性误差为 %100)(20ddL结论：结论： 差动式电容传感器比单个电容差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍; ; 非线性误差减小（多乘非线性误差减小（多乘 因子）。因子）。 0d d00()rax bCCCd 平板电容：平板电容：动极板移动动极板移动x,x,电容量为：电容量为：初始电容初始电容电容的相对变化量电容的相对变化量 00rabCd 0CxCa2 2、变面积型（、变面积型（S） 6.

9、2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性0rbCbKxdd 结论：结论： 变面积式电容传感器灵敏度为常数；变面积式电容传感器灵敏度为常数； 输出特性为线性；输出特性为线性； 适合大位移测量。适合大位移测量。平板变面积型电容传感器灵敏度平板变面积型电容传感器灵敏度2 2、变面积型（、变面积型（S） 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性2) 2) 角位移式电容传感器角位移式电容传感器改变有效覆盖面积；改变有效覆盖面积；若初始状态若初始状态=0=0，初，初始电容量为：始电容量为：0000rACd 1 1、静片；、静片；2 2、动片；、动片；当当00，电容量为：，电容量

10、为：000000000011rrrACdAAdACd 0CC3) 3) 筒状变面积电容传感器筒状变面积电容传感器3) 3) 筒状变面积电容传感器筒状变面积电容传感器若初始状态若初始状态x=0 x=0，初始电容量为：，初始电容量为：D1D0Lx00012lnLCDD000121lnxLxxCCLDD当内筒上移当内筒上移x x时，时，内外筒间的电容内外筒间的电容C C1 1为：为：0CxCL 当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：与介质参数之间的关系为：用途：用途： 测介电常数；测介电常数； 测厚度测厚度d d；3 3、变介电常数型

11、、变介电常数型 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性0rACdada动片动片r1r0LLdd d为运动介质的厚度，为运动介质的厚度，d d保持不变，改变保持不变，改变 可作为介电常数的测试仪器。可作为介电常数的测试仪器。介电常数保持不变，介电常数保持不变，d d改变，可作为测厚仪器。改变，可作为测厚仪器。3 3、变介电常数型、变介电常数型 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性0rrACadd0r 011rCdCa 当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量的当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量的变化量与极板间的介质位置之间存在一定的关系。变化量与极板间

12、的介质位置之间存在一定的关系。3 3、变介电常数型、变介电常数型 6.2 6.2 电容传感器的输出特性电容传感器的输出特性1) 1) 单组式平单组式平板形厚度传感板形厚度传感器器 x等效电路等效电路CC1C2C3设固定极板长度为设固定极板长度为a、宽度为、宽度为b、两极板间的距离为、两极板间的距离为a；被测物的厚度和它的介电常数分别为被测物的厚度和它的介电常数分别为d和和 21dCab321C1 C1 11 CC2ababCdd0abCadd01311adCCabxxxxxxCCabCCCC) 1(1) 1( )(11 000000000时时，当当1 /x001xCC1CBld2d12xCA线

13、位移传感器线位移传感器等效电路等效电路CACBC2) 2) 单组式平板形线位移传感器单组式平板形线位移传感器 设极板宽度为设极板宽度为b b，板间无介质，板间无介质 2 2 时，传感器的电容量为：时，传感器的电容量为：0112blCdd移入介质移入介质2 2 后的电容量为：后的电容量为：112221111ABCCCbxb lxdddd1122110001122221110CddddxlxxCCCddllldd1CBld2d12xCA120011221xCCCdld2212001221ddxCCdl d12112201 xdlCdC等效电路等效电路3) 3) 圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器 0

14、0212ln/hCrr1212ln/xhCrr02212ln/xhhCrr液位传感器液位传感器0212100212100002222ln/ln/ln/ln/ xxxxhhhCrrrrhhrrrrCChh 000 xhhCC电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。电容传感器的测量电路包括电容传感器的测量电路包括: :运算放大器式电路运算放大器式电路电桥电路电桥电路调频电路调频电路谐振电路谐振电路二极管二极管T T型网络型网络脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路6.3

15、 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路1 1运算放大器式电路运算放大器式电路 克服变极距传克服变极距传感器的感器的非线性非线性使其使其输出电压与输入位输出电压与输入位移成线性；移成线性；C Cx x: :电容传感器电容传感器C Co o: :固定电容固定电容 6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路K K为理想运放为理想运放xC0CxIsU0U0I0000ixxxIUjCIUjCII00sxCUUC 若传感器是一平行板电容，则：若传感器是一平行板电容，则：xACd对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为： 运算放大器的输出电压与动极

16、板的板间距离运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d d成正比。成正比。运算放大器测量电路克服了变极距型电容传感器的非运算放大器测量电路克服了变极距型电容传感器的非线性。线性。1 1运算放大器式电路运算放大器式电路6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路00SCUUdA 2 2电桥电路电桥电路6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路UCr1CRRU0UCr1Cr2U0LLCr1CU0UCCr2平衡电桥平衡电桥平衡条件平衡条件2 2电桥电路电桥电路6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路1221ZCZC120120 dddCCC初始状态初始状态若中心极板移动若

17、中心极板移动1020;dddd ddd C1、C2为传感器为传感器的两个差动电容的两个差动电容 1Z2Z1C2CabE1020; ;CCCCCCC121 =2ababaUUUZZUE;若021120121112bCCj CCUEEECCCj Cj C0001222abCCCUEECC使用使用元件最少元件最少，桥路，桥路内阻最小内阻最小放大放大振荡器振荡器相敏相敏检波检波滤波器滤波器由于电桥输出电压与电源电压成比例，由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，稳幅、稳频等措施，3 3变压器式电桥电路变压器式电桥电路111Zj

18、 c221Zj c1122121ffECE CjIZCCj1112221211fffffEZIIj CEZIIj CIII 等效电路等效电路1E2E1I2IfI1C2C1Z2ZfZ1122121scffffE CE CjUI ZZZCCj电桥平衡时电桥平衡时1211222100scECUE CE CEC1212,ffEEE CCC ZR设当动极板偏离中心位置时当动极板偏离中心位置时12; ;CCCCCC12212scffffE CCE CCjURR CjE CjRR Cj输出电压幅值输出电压幅值2212fscfE C RUR C 相位差相位差12fR Carctan 输入高频对称方波电源，输入

19、高频对称方波电源，D1D1、D2D2特性相同二极管，特性相同二极管，C1C1、C2C2传感器差动电容，传感器差动电容，R1R1、R2R2固定电阻，固定电阻，R RL L负载。负载。 一个周期内一个周期内R RL L上的平上的平 均电压：均电压： 3 3二极管双二极管双T T型电路型电路(Cf) (Cf) 6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路122(2)()()LoLELR RRUR Uf ccRR0-RRRLC2C1D1D2iC1iC2+UE+ 双双T T型电路工作原理分析型电路工作原理分析 正半周正半周D1D1导通，导通，D2D2截止截止 C1C1充电；充电； 负半周负半周D

20、1D1截止，截止，D2D2导通导通 C2C2充电；充电； 一个周期内负载一个周期内负载R RL L上输出上输出电压电压U Uo o与电源电压与电源电压U UE E幅值、幅值、频率频率f f有关有关; ;与电容的差值与电容的差值(C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 0-RRRLC2C1D1D2iC1iC2+UE+正半周正半周U1CRR2CLR1cU2cU1I2ILI12LIII2cUU1LUIRR2222LLLLRRRCRRR RRCRR 22tcUtUe2001tctccUUUUe122tcLUUIeRRR2121LLtUeRRIII21LIIIU1CRR2CLR1cU2cU1I2ILI负

21、半周负半周2LUIRR1112LLLLRRRCRRR RRCRR 11tcUtUe111tcLUUIeRRR1211LLtUeRRIII1cUU一个周期内输出电流的平均值为：一个周期内输出电流的平均值为： 21120012122121211112;22TLLLttTLkkLLLLLLIIIdtTUeedtT RRRRUfRCCCeC eRRRRRRkkfRC RRfRCRR 12222LLLLLLkUUI RkUf CCRRkRRRRfC4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路0 0 1 1 C1C1、C2C2为差动电容传感器为差动电容传感器

22、0 0 0 0 1 1 1 1 Vf1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 FGoU电路原理图电路原理图AB电压波形图电压波形图12CC12CC4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 01211121212112ABUUUTTUUTTTTTTUTToUAB1212TTCC、为电容、的充电时间12120oCCTTU11111221lnlnrrUTRCUUUTRCUU121201111212ABTTCCCUUUUUUTTCCC4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 对于变极距型差对于变极距型差动电容传感器动电容传感器 2101112dddUUUddd对于变面积型差对于变面积型差动电容传感器

23、动电容传感器 1201112SSSUUUSSS输出电压与被测位移成线性关系；输出电压与被测位移成线性关系；不需要解调，采用低通滤波器就可以获得较大的直不需要解调，采用低通滤波器就可以获得较大的直流输出电压；流输出电压；调宽频率对输出没有影响；调宽频率对输出没有影响；谐谐振振曲曲线线5 5调频电路调频电路(C-I) (C-I) 6.3 6.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路6.4 6.4 霍尔传感器霍尔传感器1. 1. 霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体置于磁场中的静止载流导体, , 当它的电流方向与当它的电流方向与磁场方向不一致时磁场方向不一致时, , 载流导体上平行于电流和磁场

24、方载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势向上的两个面之间产生电动势, , 这种现象称霍尔效应。这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。该电势称霍尔电势。 BFIUHdvLfevB 载流子在磁场中受到载流子在磁场中受到洛伦兹力洛伦兹力的作用而发生偏转，的作用而发生偏转，从而形成电场从而形成电场E E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势U UH H 。cosHHIBURd HHRKd cosHHUK IB 其中其中 霍尔系数霍尔系数 磁场与元件平面法线方向的夹角磁场与元件平面法线方向的夹角 d d 与磁场方向一致的霍尔元件厚度与磁场方向一致的霍尔元件厚度 霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度HR HK由由 得知，得知，d d 越小，越小， 越大，则感生电越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N N型半型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。导体材料制作的薄片，厚度微米级。cosHHIBURd HR霍尔元件aabb霍尔元件示意图材料RHGe14250Ge21200InSb380Si2250霍尔元件由霍尔片、四根引