第二章电容式2

1、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3.3.7 容栅式传感器上一页下一页返 回1. 工作原理及类型2. 变极距型电容传感器3. 变面积型电容传感器4. 变介电常数型电容式传感器上一页返 回下一页三种类型三种类型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，； 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上一页返 回

2、下一页变极距变极距( (d）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( )型型: (i)(l) 00rsCd 0001rsCCCCdddd 非线性关系非线性关系 若若 d/d 103kv/mm)或塑料膜来改善耐压性能或塑料膜来改善耐压性能 另：差动结构也可提高灵敏度另：差动结构也可提高灵敏度000011/()1/gCCCCCCd dkddddd d baa0SabCdd 0aa bababaCCddda 0gCCbkaad b d kg减小减小d（加云母片），增大加云母片），增大b，采用差动结构可提高灵敏

3、度，采用差动结构可提高灵敏度上一页返 回下一页 011/dCCddd /1d d 展开成泰勒级数展开成泰勒级数2301ddddCCdddd /1d d 0(/)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 0.9105ddmm m d 采用采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量，并取两电容之差为输出量 24021dddCCddd 差动式的差动式的非线性非线性得到了很大的改善，得到了很大的改善，灵敏度灵敏度也提高了一倍也提高了一倍 上一页返 回下一页1. 特 点2. 设计要点上一页返 回下一页自学自学 优点:1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料

4、无关本身发热极小 ）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、具有平均效应上一页返 回下一页 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0.001m甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，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。返 回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

5、用音频范围内的交流电源时，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 上一页返 回下一页 (1). 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 (2). 消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止 和减少外界干扰 (4) 尽可能采用差动式电容传感器 上一页返 回下一页 ：温度系数低的铁镍

6、合金、陶瓷或石英上 喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应） ：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，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 ：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 采用、测量电路来减小温度等误差 上一页返 回下一页 危害：灵敏度降低 产生非线性 减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大易产生击穿并有可能限制测量范围 上一页返 回下一页边 缘 电 场均 匀 电 场33211、2 电极电极 3等位环等位环边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上非线性恰好相反，边缘效应引起的非线性

7、与变极距型传感器原理上非线性恰好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降 上一页返 回下一页（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，避免多点接地 上一页返 回下一页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上一页返 回上一页返 回下一页L包括引线电缆电感和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

8、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上一页返 回下一页rC0CPRgL 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻ReRg 上一页返 回下一页CeRg 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Ce=C0+Cp，

9、而rer 上一页返 回下一页reCeL11ej LRj Cj C 21eCCLC 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)geekCCLCkddLC 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率较高时，传感器的灵敏度由kg变为变为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，且随变化而变化。变化

10、而变化。 上一页返 回下一页(1) 调频电路(2) 运算放大器电路(3) 双T型电桥电路(4) 脉宽调制电路上一页返 回下一页把电容变化转化为电量输出把电容变化转化为电量输出101122()ifLCL CCCC 当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率，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，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 01012()ifffL CCCC 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

11、与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页返 回下一页：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 上一页返 回下一页uC-ACxu0+01/()1/()xxj CCuuuj CC ( )/xCSd 0 CduuS 上一页上一页返返 回回下一页下一页充放电电路充放电电路二极管开关二极管开关正半周正半周D1导通导通C1充电，充电， C2放电放电负半周负半周D2导通导通C2充电，充电，C1放电放电当当C1= C2时，放电电流时，放电电流相等相等输出电压平均值为零输出电压平均值为零当当C1 C2时，放电电时，放电电流不同流不同输出电压

12、平均值不为零输出电压平均值不为零U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL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上一页返 回下一页UE RRRULLEiC2C2U0RRLR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: 22222002111ddTLCCCELRRIititU CTTT R R 上一页返 回下一页22LLtLRREERCR RLCLLRUURRieRRRRR 在在 R+(RRL)/(R+RL) C2T/2时

13、，电流时，电流iC2的平均值的平均值IC2可以写可以写成成 故在负载故在负载RL上产生的电压为上产生的电压为 012122(2)()()()LLLECCLLRRRR RR UUIICCR RR RT 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 1121 LCELRRIU CTRR 上一页返 回下一页线路简单，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 。 上一页返 回下一页 对传感器电容充

14、放电, 使输出脉冲的宽度随电容量而变化 利用低通滤波器得到与被测量变化相关的直流信号 上一页返 回下一页二极管放电二极管放电RC充电充电QBQD2D1ARRFGC1C2A2A1uABUr双稳态双稳态触发器触发器比较器比较器比较器比较器+RS低低通通UOC上电压充至上电压充至Ur时，比较器输出跳变，触发器翻转。时，比较器输出跳变，触发器翻转。C变大，充电时间常数变大，变大，充电时间常数变大， 充至充至Ur所需要的时间变长，对应的所需要的时间变长，对应的输出脉冲变宽。输出脉冲变宽。ABABuuu上一页返 回下一页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 121

15、20111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTT 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触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。上一页返 回下一页C1、C2的充电时间的充电时间11111lnrUTR CUU 12221lnrUTR CUU 式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R1=R2=R，则得，则得 12012rCCUUCC ：上一页返 回下一页设电容设电容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

16、型差动变面积型差动变面积型 21021rddUUdd 12021rSSUUSS 差动脉冲调宽电路能适用于任何差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式传感器差动式电容式传感器 并具有理论上的线性特性并具有理论上的线性特性 上一页上一页返返 回回下一页下一页采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不需要相敏检波与解调等,但需低通滤波器对元件无线性要求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 上一页返 回下一页(1) 电容式压差传感器(2) 电容式加速度传感器(3) 电容式振动位移传感器上一页返 回下一页 差动结构、灵敏度高、响应速度快差动结构、灵敏度高、响应速度

17、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 上一页上一页返返 回回下一页下一页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（定极板）（定极板）（动极板）（动极板）231B面面A面面546Cx1Cx21、5 固定极板固定极板 2壳体壳体 3簧片簧片 4 质量块质量块 6 绝缘体绝缘体 壳体加速运动时，质量块受力产生振荡，电容发生变化。壳体加速运动时，质量块受力产生振荡，电容发生变化。精度较高，频率范围宽，量程大。精度较高，频率

18、范围宽，量程大。 a)a)测振幅测振幅被测物被测物振动振动电容式电容式传感器传感器b)b)测轴心偏摆测轴心偏摆被测金属轴被测金属轴电容式电容式传感器传感器电荷平衡式位移传感器电荷平衡式位移传感器 0RMMRV CV CMRMRCVVC 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。上一页返 回下一页(1) 基本类型及工作原理(2) 容栅传感器电极的结构形式(3) 信号处理方式(4) 容栅式传感器应用上一页返 回下一页l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状上一页下一页返 回上一页下一页返 回

19、m axabCn n动尺栅级片数动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度栅极片长度和宽度上一页下一页返 回CCmax0aW3a2Wx 2221max2a rrCn r2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径圆盘栅极片外半径和内半径 a 每条栅极片对应的圆心角（每条栅极片对应的圆心角（rad）上一页下一页返 回上一页下一页返 回（a）直电极反射式（b）直电极透射式（c）反射式L型电极上一页返 回下一页上一页下一页返 回结构形式简单，使用方便，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移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大 上一页下一页返 回测量调整方便、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 上一页下一页返 回增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，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提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性 鉴幅式测量电路系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用， 鉴相式测量电路系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。 上一页返 回下一页12()()0mAmBUU