第4章 压力及真空度检测仪表-电容式

1、measurement&process control technologyKunming University of Science and Technology Department of Automation Engineering, Informational facultySpring 2010检测及过程控制技术检测及过程控制技术Measurement &Process control Technology昆明理工大学信自学院自动化系昆明理工大学信自学院自动化系measurement&process control technology昆明理工大学信自学院昆明理工大学信自学院检测及过

2、程控制系统检测及过程控制系统Measurement &Process control Technology第四章第四章 压力与真空度检测压力与真空度检测-电容式传感器（电容式传感器（4.2）measurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测v4.1、电容式传感器工作原理及类型v4.2、电容传感器的测量电路分析v4.3、电容传感器的误差分析measurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测第4.1节 电容式传感器工作原理及类型v4.1.1、基本原理、

3、基本原理v4.1.2、传感器类型及特点、传感器类型及特点measurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.1、基本原理电容器的基本原理可以分以下两种情况：电容器的基本原理可以分以下两种情况：（1）平行板电容器的工作原理）平行板电容器的工作原理用两块金属平行板作电极，可构成用两块金属平行板作电极，可构成最简单的平行板电容器，如图所示，当忽略最简单的平行板电容器，如图所示，当忽略边缘效应时，其电容量边缘效应时，其电容量CdSdSCr0两极板间距离真空的介电常数极板间相互覆盖面积极板间介质的介电常数

4、电容量dSC0 )(6 . 310cmPFmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.1、基本原理（1）平行板电容器的工作原理）平行板电容器的工作原理（2）同轴圆柱形电容器）同轴圆柱形电容器由两个同心圆柱状极板由两个同心圆柱状极板构成同轴圆柱状电容器构成同轴圆柱状电容器)(6 . 3,210PFdSCPFCcmdcmSrrrr那么的单位则电容单位，单位式中若）（介质的相对介电常数，对于空气介质measurement&process control technology第第4.1节节 电容

5、式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.1、基本原理（2）同轴圆柱形电容器）同轴圆柱形电容器由平行板电容工作原理可知，在由平行板电容工作原理可知，在 三个参数中保持其中两个不变，改变另一个三个参数中保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容参数就可以使电容C改变。所以一般电容式改变。所以一般电容式传感器，可分为以下三种类型。传感器，可分为以下三种类型。数两圆柱极介质的介电常内圆柱半径外圆柱半径圆柱电容器高度rRhhCrR)(ln2dS和、measurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及

6、类型4.1.2、传感器类型及特点1. 变面积（S）型如图所示，可以通过角位移如图所示，可以通过角位移 或直线位移或直线位移 的变化来改变的变化来改变两极板之间的覆盖两极板之间的覆盖面积面积S)()(xmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点1. 变面积（S）型（1）角位移）角位移改变一个改变一个 角，则角，则（线性关系）（线性关系） 其中其中 （即（即 为为 初始电容量）初始电容量）（2）直线位移）直线位移当其中一极板移动距离当其中一极板移动距离x时，时，则则 (

7、线性关系）线性关系）)()(1 (6 . 3)1 (0PFCdSCrdSCr6 . 300)(x)(1 (6 . 3)(0PFaxCdxabCrxmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点1. 变面积（S）型（2）直线位移）直线位移其中：其中：特点：特点：上述电容上述电容 与角位移与角位移 ， 与直线位移与直线位移x 均呈线性关系。均呈线性关系。上述电容器灵敏度上述电容器灵敏度K)(x)(1 (6 . 3)(0PFaxCdxabCrxdSCdbaCrr6 . 36

8、. 300CxC00CddCKaCdxdCKx或其大小均与初始值其大小均与初始值 有关。有关。0Cmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点1. 变面积（S）型特点：特点：变化位移量（变化位移量（x或或 ）不能太大，否则会）不能太大，否则会产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的原故。分布不均匀的原故。上述电容器，多数用来检测位移等参数。上述电容器，多数用来检测位移等参数。measurement&process con

9、trol technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点2. 变介质介电常数（ ）型（1）平行板电容器）平行板电容器如图所示，此电容器如图所示，此电容器相当于两个电容相当于两个电容 和和 相串相串联。其中联。其中 为两极板间两种介质为两极板间两种介质 的厚度。的厚度。10dd 、10、)(/0011110011006 . 36 . 36 . 36 . 36 . 3101010PFSCCCCCCCdddSdSdSdS0C1Cmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器

10、工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点2. 变介质介电常数（ ）型（1）平行板电容器）平行板电容器由此可见：在由此可见：在 和和 （一般为空气（一般为空气介电常数）不变的情况下，变化介电常数）不变的情况下，变化 时，则电时，则电容器发生变化，可用作介质容器发生变化，可用作介质介电常数测量仪。反之，反之， 不变时，改变不变时，改变 则用作则用作测厚仪使用。使用。10dd 、01100、d1dmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点2.

11、变介质介电常数（ ）型（2）同轴圆柱状电容器）同轴圆柱状电容器如图所示，总电容器相当于如图所示，总电容器相当于之和、21CC两同心圆电极半径、极板电容总高度气体介质间的电容量式中：其中：rRhhhhChhhCrRrR211)(21)(221ln)(2ln2)(ln2)(112液体介质间的电容量rRhCmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点2. 变介质介电常数（ ）型（2）同轴圆柱状电容器）同轴圆柱状电容器1)(211)(2)(11)(2121ln)(2ln2ln

12、2ln)(2KhAhhhhhCCCrRrRrRrR则)ln(22)ln()21(12rRhArRhK式中：由此可见：传感器由此可见：传感器电容量电容量C与液位高度与液位高度 成成线性关系，所以可以用作线性关系，所以可以用作液位测量仪。液位测量仪。1hmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（1）单极式平行板电容器）单极式平行板电容器如图所示，其中定板如图所示，其中定板1和动板和动板2当动板当动板2移动，改变间距移动，改变间距 ，从而改变了

13、电容量从而改变了电容量C)1()(6 . 3000空气介电常数初始：rPFdSdSC0dmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（1）单极式平行板电容器）单极式平行板电容器当变化一个当变化一个cddd，产生一个时)(0010000001ddCddddSddScCC则00001ddddCCCc那么级数展开100000)1 (1ddddddddCc忽略高次项)(1 (20000ddddddCcmeasurement&process contr

14、ol technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（1）单极式平行板电容器）单极式平行板电容器结论：结论：上述表明上述表明:在在非线性误差非线性误差灵敏度：灵敏度：00ddCc之间近似线性与条件下dcdd10的检测。，显然适用于微小位移则有关，如果其大小与%10%21 . 002. 0%100)(%100)(000020dddddddddd000dCdcKmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型

15、4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（1）单极式平行板电容器）单极式平行板电容器结论：结论：灵敏度：灵敏度： 显然显然 越小，灵敏越小，灵敏度越高。但是非线性误差度越高。但是非线性误差 会增大；会增大；存在矛盾。存在矛盾。（2）双极板式平行板电容器）双极板式平行板电容器为了克服上述灵敏度为了克服上述灵敏度K和非线性误差和非线性误差 之之间的矛盾，可采用差动式结构的电容器，如间的矛盾，可采用差动式结构的电容器，如图所示图所示00ddCc000dCdcK0d0ddmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型

16、电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（2）双极板式平行板电容器）双极板式平行板电容器两块定板和中间一块动两块定板和中间一块动板组成差动结构。板组成差动结构。初始：动板在中间位置。初始：动板在中间位置。则则当动板上移当动板上移 后，后， 增加一个增加一个 ， 减少一个减少一个021CCC1d1Cc2Ccmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（2）双极式平行板电容器）双极式平行板电容器则则那么差动

17、输出那么差动输出 ，c级数展开级数展开000100021111ddCcCCddCcCC2000220001)(1)(1ddddCCddddCCmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（2）双极式平行板电容器）双极式平行板电容器忽略高次项，整理得到忽略高次项，整理得到结论：结论：上述得到差动式电容器灵敏度上述得到差动式电容器灵敏度是原来的是原来的2倍关系，提高了倍关系，提高了1倍。倍。非线性误差非线性误差300021)(2)(2ddddCC

18、CC002ddCc002dCdcKmeasurement&process control technology第第4.1节节 电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型4.1.2、传感器类型及特点3. 变极板间距（ d）型（2）双极式平行板电容器）双极式平行板电容器非线性误差非线性误差在数值上只减少了一个数量级。在数值上只减少了一个数量级。差动测量可以减少非线性误差（即系统误差）%100)(%100)()(20030ddddddmeasurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测v4.1、电容式传感器工作原理及类

19、型v4.2、电容传感器的测量电路分析v4.3、电容传感器的误差分析measurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测第4.2节 电容传感器的测量电路分析v4.2.1、电容传感器的等效电路v4.2.2、传感器类型及特点v4.2.3、主要特性measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.1、电容传感器的等效电路电容传感器在测量中的等效问题，如图所示在测量中的等效问题，如图所示的等效电路，的等效电路，C为传感器电容为传感器电容

20、其中：其中：因此等效阻抗因此等效阻抗连线端间等效电感量引线、极板电阻之和极板间的等效漏阻LRRsPLCRCRjCRRRRcjLjRZPPPPsPsc222222211/1)(电源频率， ff2measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.1、电容传感器的等效电路考虑到考虑到 很小很小所以所以等效电容等效电容结论：结论：电容传感器等效电容量电容传感器等效电容量 与与 有关，即有关，即电源频率电源频率变化引起传感器电容量变化变化引起传感器电容量变化电容传感器电容量电容传感器电容量 与与 有关，即有

21、关，即引线长度引线长度变化变化也会变化引起传感器电容量变化，以上在实际测量也会变化引起传感器电容量变化，以上在实际测量时应引起注意。时应引起注意。sPRR，1ecCjCLCjLCjZ11112CLCCe21eCeCLmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路1. 作用和形式（1）作用）作用电容传感器产生的电容值一般只有几个皮电容传感器产生的电容值一般只有几个皮法至几十个皮法，这样微小信号不便直接显示、记法至几十个皮法，这样微小信号不便直接显示、记录及传输，录及传输，测量电路的作

22、用就是将电容传感器产生就是将电容传感器产生的电容变化量的电容变化量 转换成正比关系的电压、电流或频转换成正比关系的电压、电流或频率信号。率信号。（2）形式）形式测量电路的形式很多，目前常用典型线路测量电路的形式很多，目前常用典型线路有以下几种：有以下几种：cmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路1. 作用和形式（2）形式）形式a）调制型：）调制型：交流不平衡电桥（简称交流电桥），交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器二极管环形检波器b）脉冲型：）脉冲型：差动脉冲宽

23、度调制电路。差动脉冲宽度调制电路。c）运算放大器型：）运算放大器型：运算法测量电路。运算法测量电路。measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（1）交流不平衡电桥是电容传感器最基本）交流不平衡电桥是电容传感器最基本的一种测量电路，如图所示的一种测量电路，如图所示桥输出电压为固定阻抗、电源电压（内阻为零）电容传感器阻抗scuZZZEZ4321measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路

24、分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（1）如同直流单臂桥的分析方法一样）如同直流单臂桥的分析方法一样得：得：设初始桥平衡输出设初始桥平衡输出那么平衡条件：那么平衡条件：EZZZZZZZZEZZZZZZusc)(4321324143321100scu 0)(43213241EZZZZZZZZusc432132410ZZZZZZZZ或measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析当被测参数变化时，引起传感器阻抗产生当被

25、测参数变化时，引起传感器阻抗产生一个一个 变化，即变化，即 考虑考虑 ，忽略忽略分母中分母中 的因素后得：的因素后得：ZZZ1EZZZZZZZZusc433211ZZ1ZEZZZZZZZZEZZZZZZusc)1)(1 ()(432121143214EKEAAEZZZZZZ22)211(211)1 (measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（1）式中：式中：EKEAAEZZZZZZusc2221211)1 ()1 (桥臂系数（复数）实数传感器相对变

26、化量桥臂比（复数）2121)1 ()(AAKddCcZZZZAmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2）上述分析，知道电桥输出）上述分析，知道电桥输出 是一个是一个交流值，且与桥臂系数交流值，且与桥臂系数 有关，那么下面我有关，那么下面我们来分析们来分析 是如何影响电桥输出的。是如何影响电桥输出的。设：设：所以所以)(21是复数形式桥臂比jjaeeZZA212211jjeZZeZZ、的相角复数的模值复数AAZZa2121scu KKmeasur

27、ement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2）所以）所以通过计算（将通过计算（将 代入桥臂系数代入桥臂系数 表达表达式中）式中）得：得：）（桥臂系数是复数形式jrkeAAK2)1 (的模值复数的相角复数其中KKkKrjaeA K要提高桥输出，要提高桥输出，必须增大必须增大k值值),(cos)1 (2sin)1 (arctan),(cos21222afaaarafaaakmeasurement&process control technology第第4.2节节

28、电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2） 可以可以作图来分析，如图作图来分析，如图(a)和和(b)a）图）图(a)所示，以所示，以 为参变量作模为参变量作模 和和 的的关系曲线。关系曲线。结论：结论：其中其中的二元函数。的和均是，可知),(afarkkamkkZZa为何值，时，不论12125. 005 . 09000mmkk（桥臂系数）jrkeAAK2)1 (measurement&process control technologymeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感

29、器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2） 可以可以作图来分析，如图作图来分析，如图(b)b）图）图(b)所示，以所示，以 为参变量作相角为参变量作相角 和和 的关系曲线。的关系曲线。结论结论:的二元函数。的和均是，可知),(afarkra同相位与电源表示输出。时，相角或相位角时ErrscuZZa000,121（桥臂系数）jrkeAAK2)1 (measurement&process control technologymeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感

30、器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2） 可以作可以作图来分析，如图图来分析，如图(b)b）图）图(b)所示，以所示，以 为参变量作相角为参变量作相角 和和 的关系曲线。的关系曲线。结论结论:的二元函数。的和均是，可知),(afarkra)(,21最大相位角时mrrZZa（桥臂系数）jrkeAAK2)1 (measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（2） c）以上分析得出一下结论：）以上分析得出一下结论： 桥输出桥输出值

31、越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在值越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在满足满足 的条件下，增大两桥臂阻抗的条件下，增大两桥臂阻抗 的幅角差的幅角差 值值（3）常用各种形式交流电桥的电压灵敏度）常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位和相位的二元函数。的和均是，可知),(afark值越大，越大，时即mkZZa)( 12121ZZ 21ZZ 、同相位。与电源时，桥输出或Euasc01（桥臂系数）jrkeAAK2)1 (measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥

32、电路分析(3)常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位如图所示常用交流电桥形式如图所示常用交流电桥形式,根据上述规则根据上述规则,分分析各种形式的电桥电压灵敏度以及相位情况析各种形式的电桥电压灵敏度以及相位情况measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（3）cda）图）图a，b b）图）图c所以则，0,25. 0010rkkam同相位。，且与电源EEusc25. 0所以则，0, 5 . 09010rkkammeas

33、urement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路2. 交流不平衡电桥电路分析（3）b）图）图cc）图）图d 采用了差动式电容传感器，采用了差动式电容传感器，同相位。，且与电源EEusc5 . 0，0, 125 . 02rkkm所以090, 1a所以则，0, 5 . 09010rkkam同相位。与电源EEuscmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分

34、析（相敏检波电路）（1）作用）作用上述交流不平衡电桥、作为电容传感器测量电上述交流不平衡电桥、作为电容传感器测量电路，其输出为交流信号，故不能判断输入传感器的路，其输出为交流信号，故不能判断输入传感器的极性，不能反映被测参数的变化方向。而只能表达极性，不能反映被测参数的变化方向。而只能表达输入信号的大小（或称被测参数的变化大小）所以输入信号的大小（或称被测参数的变化大小）所以必须还要经过相敏检波电路和低通滤波器，才能最必须还要经过相敏检波电路和低通滤波器，才能最后得到反映输入信号大小和极性的输出信号，而环后得到反映输入信号大小和极性的输出信号，而环形检波电路的作用，其输出信号不仅能反映输入信形

35、检波电路的作用，其输出信号不仅能反映输入信号的大小，还能反映其相应的极性，下面我们来分号的大小，还能反映其相应的极性，下面我们来分析该电路的工作过程。析该电路的工作过程。measurement&process control technology副边线圈原边线圈振荡器稳幅放大器检波二极管、电流转换器对差动电容传感器、比例放大器衡压、衡流电源、,TP:LL141214232ADDCCAHL第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）（2）电路的组成如图所示）电路的组成如图所示measurement&process

36、 control technologymeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）（3）过程分析）过程分析振荡器激励（交流正弦）振荡器激励（交流正弦）电压经原边电压经原边 加在副边加在副边 ，感应产生正，感应产生正弦电压弦电压e，并通过，并通过 （我们考虑（我们考虑 阻阻抗抗回路中的其他阻抗。）产生的回路电流分回路中的其他阻抗。）产生的回路电流分别为别为Tp21LL、HLCC 、HCLC11，)(为激励电源的角频率其中eCieCiLLH

37、Hmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）a）正弦电压正弦电压e上半周时上半周时( ,)二极管二极管 导通，导通， 截止截止则则b）正弦电压）正弦电压e下半周时下半周时( ,+)二极管二极管 导通，导通， 截止截止则则41DD、32DD 、4111)()(DWiDRiHL从左至右从由下向上从41DD、32DD 、)()(2213由下而上从从右至左从RDiWDiHLmeasurement&process control technol

38、ogy第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）c）所以所以 d）稳幅放大器）稳幅放大器 的稳幅作用（稳定正弦电的稳幅作用（稳定正弦电压压e的幅值）的幅值）ABuBAA两端的输入电压稳幅放大器放大器,)(1)()()(21211212RRRiiRIRIRRIABHLABCCCABuuu其中为衡流源电流其中)(21HLCABABABiiRRIuueu1Ameasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路

39、3. 二极管环形检波电路分析（相敏检波电路） d）稳幅放大器）稳幅放大器 的稳幅作用（稳定正弦的稳幅作用（稳定正弦电压电压e的幅值）的幅值）当正弦电压当正弦电压 回路电流回路电流 （放大器（放大器 的输入信号）的输入信号） (放大器放大器 的输出信号的输出信号)即振荡器的输出正弦电即振荡器的输出正弦电压压 最后放大器最后放大器 的输入变化信号的输入变化信号 稳定作用稳定作用 通过上述的变化通过上述的变化,可以起到正弦电压可以起到正弦电压e的稳定作用的稳定作用 1AeHLii、ABue1Ae1Ae1A0e。measurement&process control technology第第4.2节节

40、 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路) e）比例放大器）比例放大器 的输入信号分析的输入信号分析当当 （稳定时）（稳定时）由由 得：得：同时，同时，2A0e0)(HLCiiRRI)(LHHLCCCeiiI) 1 (LHCCCIe)2()(HLHLHLHLCCiieCCeiimeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路) e）比例放大器）比例放大器 的输入信号分析的

41、输入信号分析（1）=（2）因此，信号电流因此，信号电流 流经流经 时，在时，在 分压分压产生的输入信号电压（右产生的输入信号电压（右 左）左）2AHLHLLHCCCiiCCICHLHLHLICCCCiiHLii 、1WSRSHLRSRiiu)(measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路) 综上所述，综上所述， 放大器的输入电压包括以下放大器的输入电压包括以下几个方面：几个方面： 信号电压，加在信号电压，加在 同相端；同相端； 调零电压，

42、加在调零电压，加在 反相端；反相端； 产生的固定电压，加在产生的固定电压，加在 同相端；同相端； 反馈电压，反极性加在反馈电压，反极性加在 同相端，同相端，I位位输出信号。输出信号。2ASHLRii)(2A0u2ABuCI2AFIR2Ameasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路) f）比例放大器）比例放大器 的输入输出分析的输入输出分析知道知道 放大器输入综合信号（理想放大放大器输入综合信号（理想放大器），那么器），那么2A0)(0uI

43、RuRiiFBSHLFFBFsHLRuRuRRiiI0)(FFBHLHLFsCRuRuCCCCRRI0（输出电流）2Ameasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路) f）比例放大器）比例放大器 的输入输出分析的输入输出分析当差动电容传感器变化时：当差动电容传感器变化时：则则 或或2AcCCL0cCCH0FFBFsCRuRuCcRRII00FFBFsCRuRuddRRII00measurement&process control techn

44、ology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路3. 二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)g）结论）结论 差动电容器其输出电流差动电容器其输出电流I I正比于正比于 线性转换；线性转换； 调节，可改变比例放大系数，量程调节，可改变比例放大系数，量程大小调节；大小调节； 调节，起到调零作用；调节，起到调零作用； 调节，改变输出起始电流大小。调节，改变输出起始电流大小。00Ccdd或)(1wRs)(2wFRmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2

45、.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（1）作用）作用同二极管式线路相似，将差动电容同二极管式线路相似，将差动电容传感器的输出变化信号转化成有极性方向和传感器的输出变化信号转化成有极性方向和大小输出的直流信号。大小输出的直流信号。（2）组成）组成差动电容传感器电容、双稳态触发器为参数电压比较器、2121 CCuAAFmeasurement&process control technologymeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路

46、(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析a）上电后（接上电源）设双稳态触发器）上电后（接上电源）设双稳态触发器A端（端（Q端）高电平，则端）高电平，则B端（端（ 端）低电平。端）低电平。则：则：Q电压迅速放电至零。导通）端成高电平）（端低电平（触发器触发翻转一次比较器产生一个脉冲时充电端（高电平）MDFMRuDBAAuuCA11111measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析a）以上过程不断重复，则在双稳态触

47、发器以上过程不断重复，则在双稳态触发器A、B两端各自产生一个宽度受两端各自产生一个宽度受 电容大小变电容大小变化的，宽度不等方波脉冲，具体波形如图所化的，宽度不等方波脉冲，具体波形如图所示。示。迅速放电至零。电压导通）端成低电平（）端高电平触发器触发翻转一次比较器产生一个脉冲时充电端（高电平）同时，NDFNRuDBAAuuCB22222(21CC、measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析a）具体波形如图所示。

48、）具体波形如图所示。b）波形分析）波形分析当当A、B端产生宽度相同的端产生宽度相同的如图如图(a)波形波形A、B两点两点平均电压：平均电压： ；且；且 充电时间充电时间 。0321CCCC0ABu21CC、21TT measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析a）具体波形如图所示。）具体波形如图所示。b）波形分析）波形分析当当 时时A、B端产生宽度不等的端产生宽度不等的方波如图方波如图(b)，则，则A、B两两点平

49、均电压：点平均电压： ；且；且 充电时间充电时间 。21CC 0ABu21CC、21TT )(21CC measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析c） 直流输出直流输出scuBPAPscuuu（触发器电平电压）1211uTTTuAP1212uTTTuBP12121uTTTTuuuBPAPsc则：measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电

50、容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析c）其中其中 为电容为电容 的充电时间的充电时间 12121uTTTTuuuBPAPsc1T1C1111TFeuu（时间常数）111CR 参考电压， 电平电压Fu1u111111ln11uuuTuueFuFT 取对数measurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析c）FFFuuuCRuuuCRuuuT1111

51、1111111lnlnln同理可求FuuuCRT11222ln的情况下RRR21则1212112121uCCCCuTTTTuscmeasurement&process control technology第第4.2节节 电容传感器的测量电路分析电容传感器的测量电路分析4.2.2、测量电路4. 差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析）过程分析c）当差动变化：）当差动变化：d）结论：）结论：测量电路输出测量电路输出 具有线性输出特性具有线性输出特性输出输出 为为100KHz1MHz矩形波只需经矩形波只需经低通滤波器引出即可。低通滤波器引出即可。输出输出 不需再加整流电路，其直流信号不

52、需再加整流电路，其直流信号可表示传感器的信号大小和方向。可表示传感器的信号大小和方向。则1010udduuCcuscsc或cCCcCC0102scuscuscumeasurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测v4.1、电容式传感器工作原理及类型v4.2、电容传感器的测量电路分析v4.3、电容传感器的误差分析measurement&process control technology第第4章章 压力及真空度的检测压力及真空度的检测第4.3节 电容传感器的误差分析v4.3.1、误差分析、误差分析measurement&pr

53、ocess control technology第第4.3节节 电容传感器的误差分析电容传感器的误差分析4.3.1、误差分析、误差分析在设计和应用电容传感器时，还要考虑温度、在设计和应用电容传感器时，还要考虑温度、电场边缘效应、寄生电容和分布电容等因素电场边缘效应、寄生电容和分布电容等因素的影响；它们会造成传感器特性的不稳定，的影响；它们会造成传感器特性的不稳定，甚至会导致传感器无法工作。甚至会导致传感器无法工作。（1）温度对传感器的影响）温度对传感器的影响温度变化（自身工作温度，环境温度变化）温度变化（自身工作温度，环境温度变化）引起传感器结构尺寸的变化，引起电容介电引起传感器结构尺寸的变化

54、，引起电容介电常数的变化，从而引起传感器电容值的变化常数的变化，从而引起传感器电容值的变化和波动，产生和波动，产生 。结构尺寸：电容器极板材料的膨胀系数从结构尺寸：电容器极板材料的膨胀系数从)(tfCtmeasurement&process control technology第第4.3节节 电容传感器的误差分析电容传感器的误差分析4.3.1、误差分析（1）温度对传感器的影响）温度对传感器的影响而改变它的截面积而改变它的截面积S和间隙和间隙d，引起微小，引起微小变化。变化。介质介电常数介质介电常数其中：其中：（2）电容电场的边缘效应的影响）电容电场的边缘效应的影响如图所示：如图所示：)1 (0

55、tattt变化温度介质的温度系数时介质的介电常数初始温度温度后介质的介电常数变化tattttt00measurement&process control technology第第4.3节节 电容传感器的误差分析电容传感器的误差分析4.3.1、误差分析（1）温度对传感器的影响）温度对传感器的影响（2）电容电场的边缘效应的影响）电容电场的边缘效应的影响按理想状况，平板电容器电场均匀分布于按理想状况，平板电容器电场均匀分布于两极板之间。实际上情况复杂得多，边缘电两极板之间。实际上情况复杂得多，边缘电场的非均运性引起传感器灵敏度和非线性增场的非均运性引起传感器灵敏度和非线性增加。加。所以采用以下克服方

56、法所以采用以下克服方法measurement&process control technology第第4.3节节 电容传感器的误差分析电容传感器的误差分析4.3.1、误差分析（2）电容电场的边缘效应的影响）电容电场的边缘效应的影响所以采用以下克服方法所以采用以下克服方法a）增大初始电容值）增大初始电容值 （增大（增大S减小减小d），以），以降低边缘效应的影响成分。降低边缘效应的影响成分。b）加装等位环，清除边缘效应，如图所）加装等位环，清除边缘效应，如图所示，即在极板示，即在极板A同一平同一平面内加装一个同心环面内加装一个同心环G，使用时使用时A和和G两面间保两面间保持等电位。持等电位。0Cmeasurement&process control technology第第4.3节节 电容传感器的误差分析电容传感器的误差分析4.3.1、误差分析（3）寄生电容，分布电容的影响）寄生电容，分布电容的影响消除方法消除方法静电屏蔽措施静电屏蔽措施即将电容传感器极板放置在金属壳即将电容传感器极板放置在金属壳体之内。并将壳体与大地相连；体之内