传感器结构原理与设计---第四章 电容式传感器ppt课件

1、第四章第四章 电容式传感器电容式传感器优点：构造简单、顺应性强、动态呼应时间短、易实现非接触丈优点：构造简单、顺应性强、动态呼应时间短、易实现非接触丈量等。量等。由于资料、工艺，特别是丈量电路及半导体集成技术等方面已到由于资料、工艺，特别是丈量电路及半导体集成技术等方面已到达了相当高的程度，因此寄生电容的影响得到较好地处理，使电达了相当高的程度，因此寄生电容的影响得到较好地处理，使电容式传感器的优点得以充分发扬。容式传感器的优点得以充分发扬。运用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含运用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等丈量之中。量等丈量之中。电容式传感器是

2、将被丈量的变化转换成电容量变化的一种安装，电容式传感器是将被丈量的变化转换成电容量变化的一种安装，它本质上是一个具有可变参数的电容器。它本质上是一个具有可变参数的电容器。一、任务原理一、任务原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容缘效应时，其电容C C为为 SS极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；极板间间隔；极板间间隔；rr相对介电常数；相对介电常数；0 0 真空介电常数，真空介电常数，0 0 8.85pF/m8.85pF/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。SSSCr0第一节第一节 任务原理与类型任务原理

3、与类型公式分析：公式分析：、S S和和rr中的某一项或几项有变化时，就改动中的某一项或几项有变化时，就改动了电容了电容C C。或或S S的变化可以反映线位移或角位移的变化，的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；也可以间接反映压力、加速度等的变化；rr的变化那么可反映液面高度、资料厚度等的的变化那么可反映液面高度、资料厚度等的变化。变化。 二、类型二、类型三种根本类型：三种根本类型：变极距变间隙变极距变间隙()()型型变面积型变面积型(S)(S)型型变介电常数变介电常数(r)(r)型型表表4-14-1列出了电容式传感器的三种根本构造方式。列出了电容式传感器的三种

4、根本构造方式。位移：线位移和角位移两种。位移：线位移和角位移两种。极板外形：平板或圆板形和圆柱极板外形：平板或圆板形和圆柱( (圆筒圆筒) )形，虽还有球形，虽还有球面形和锯齿形等其他的外形，但普通很少用，故表中面形和锯齿形等其他的外形，但普通很少用，故表中未列出。未列出。其中差动式普通优于单组单边式的传感器。它灵其中差动式普通优于单组单边式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。敏度高、线性范围宽、稳定性高。 C- 特性曲线1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被丈量变化而挪动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其

5、电容变化量C为2变极距型电容传感器1CC0C0C0极距为极距为时的初始电容量。时的初始电容量。 0CSSSC讨论：讨论：该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实践该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实践运用中，为了改善非线性、经常作成差动式构造改运用中，为了改善非线性、经常作成差动式构造改善其非线性。善其非线性。2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形构造对极距变化特变面积型电容传感器中，平板形构造对极距变化特别敏感，丈量精度遭到影响。而圆柱形构造受极板径别敏感，丈量精度遭到影响。而圆柱形构造受极板径向变化的影响很小，成为实践中最常采用的构造，其向变化

6、的影响很小，成为实践中最常采用的构造，其中线位移单组式的电容量中线位移单组式的电容量C C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为ll外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2r2、r1 r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对挪动当两圆筒相对挪动ll时，电容变化量时，电容变化量CC为为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性, ,大多用来检测位移等参数。大多用来检测位移等参数。 3 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器

7、 变介电常数型电容式传感器大多用来丈量电介质的变介电常数型电容式传感器大多用来丈量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改动而改动来丈量介质资料的温度、湿度等。度改动而改动来丈量介质资料的温度、湿度等。假设忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如以下图，假设忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如以下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为传感器的电容量与被测厚度的关系为 x厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxabCn假设忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如以下图，假设忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如以下图，传感器的电

8、容量与被位移的关系为传感器的电容量与被位移的关系为 C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；:两固定极板间的间隔；x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l平板形lxn假设忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如以下图，传感器的假设忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如以下图，传感器的电容量与被液位的关系为电容量与被液位的关系为 液位传感器液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度hxhx成线性关系。

9、成线性关系。本卷须知：假设电极之间的被测介质导电，电极外表应涂盖绝缘本卷须知：假设电极之间的被测介质导电，电极外表应涂盖绝缘层如层如0.1mm0.1mm的聚四氟乙烯等。的聚四氟乙烯等。2 r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路L 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 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；C0C0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；CpCp为引线电缆、所接丈量电路及极板与外界所构成的总为引线电缆、所接丈

10、量电路及极板与外界所构成的总寄生电容；寄生电容；RgRg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和资料选取上应保证足够大。工艺上和资料选取上应保证足够大。C0CpRgLr第二节第二节 转换电路转换电路CeReLreCe讨论：讨论：在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L L和和r r的影响可以忽的影响可以忽略。其等效电路可简化为图略。其等效电路可简化为图4-4 b4-4 b，其中等效电容，其中等效电容Ce

11、=C0+CpCe=C0+Cp，等效电阻等效电阻ReRgReRg。 在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L L和和r r的影响不可忽略，的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图4-4 c4-4 c。其中。其中Ce=C0+CpCe=C0+Cp，而，而rerrer。电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHzMHz。供电电源频率必需低于该谐振频率，普通为其供电电源频率必需低于该谐振频率，普通为其1/31/31/21/2，传感，传感器才干正常任务。器才干正常

12、任务。 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂将电容式传感器接入交流电桥的一个臂( (另一个臂为固定电容另一个臂为固定电容) )或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适宜于高频电源下任务。而变压简化了电桥的屏蔽和接地，适宜于高频电源下任务。而变压器式电桥运用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。器式电

13、桥运用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。二、电桥电路二、电桥电路特点：高频交流正弦波供电；特点：高频交流正弦波供电； 电桥输出调幅波，要求其电源电压动摇极小，需采用稳电桥输出调幅波，要求其电源电压动摇极小，需采用稳幅、稳频等措施；幅、稳频等措施； 通常处于不平衡任务形状，所以传感器必需任务在平衡通常处于不平衡任务形状，所以传感器必需任务在平衡位置附近，否那么电桥非线性增大，且在要求精度高的场所应采位置附近，否那么电桥非线性增大，且在要求精度高的场所应采用自动平衡电桥；用自动平衡电桥； 输出阻抗很高输出阻抗很高( (几几MM至几十至几十M)M)，输出电压低，必需后，输出电压低，必需后接高

14、输入阻抗、高放大倍数的处置电路。接高输入阻抗、高放大倍数的处置电路。 三、二极管双三、二极管双T T形电路形电路 电路原理如图电路原理如图(a)(a)。供电电压是幅值为。供电电压是幅值为UEUE、周期为、周期为T T、占空比为、占空比为5050的方波。假设将二极管理想化，那么的方波。假设将二极管理想化，那么当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)(b)。其中二极管。其中二极管VD1VD1导通、导通、VD2VD2截止，电容截止，电容C1C1被以极其被以极其短的时间充电、其影响可不予思索，电容短的时间充电、其影响可不予思索，电容C2C2

15、的电压初始的电压初始值为值为UEUE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容到电容C2C2的电流的电流iC2iC2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2i C1i C2+UE(a)C1UERLRLRRRR+i C1i C2在在R RRRLRRL/ /R RRLRLC2T/2C2T/2时时, ,电流电流iC2iC2的的平均值平均值IC2IC2可以写成下式：可以写成下式： 22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC同理，负半周时电容同理，负半

16、周时电容C1C1的平均电流的平均电流: : 电路特点：电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减线路简单，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；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；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，抑制了电容式传感器高内，而与电容无关，抑制了电容式传感器高内阻的缺陷；阻的缺陷；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 1121CURRRRTIELLC故在负载故在负载RLRL上产生的电压为上产生的电

17、压为 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽又称差动脉宽( (脉冲宽度脉冲宽度) )调制电路调制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。经过低通滤波器得到对应传感器电容量变化而变化。经过低通滤波器得到对应被丈量变化的直流信号。被丈量变化的直流信号。图图4-64-6为差动脉冲调宽电路原理图，图中为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1C1、C2C2为差动式传为差动式传感器的两个电容，假设用单组式，那么其中一个为固定电容，感器的两个电容，假设

18、用单组式，那么其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；其电容值与传感器电容初始值相等；A1A1、A2A2是两个比较器，是两个比较器，UrUr为其参考电压。为其参考电压。UABUAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，得到直流电压U0U0为为 UTTTTUTTTUTTTU21212122110UAUA、UBAUBA点和点和B B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T1T1、T2 T2 分别为分别为C1C1和和C2C2的充电时间；的充电时间；U1U1触发器输出的高电位触发器输出的高电位。C1C1、C2C2的充电时间的充电时间T1T1、T2T2为为 rLLLUUUCRTl

19、n11rLLLUUUCRTln22那么那么 UCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。 设电容C1和C2的极间间隔和面积分别为1、2和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有实际上的线性特性。这是非常可贵的性质。 另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需求相敏检波与解调等；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。 U

20、SSSSUUU1212021120；五、运算放大器式电路五、运算放大器式电路 其最大特点是可以抑制变极距型电容式传感其最大特点是可以抑制变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图器的非线性。其原理如图将将Cx = Cx = 代入上式得代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0 讨论：负号阐明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此依然存在一定的非线性误差，但普通A和Zi足够大，所以这种误差很小。 六、调频电路六、调

21、频电路电容传感器为振荡谐振回路的一部分；电容传感器为振荡谐振回路的一部分；输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。变化。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。C2传感器电容。容；传感器引线的分布电；谐振回路的固有电容谐振回路电感；如下：振荡器振荡频率CCCCLCCCCLLCff021021)(2121 第三节 主要性能、特点和设计要点一、主要性能一、主要性能1 1、静态灵敏度、静态灵敏度是被丈量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化是被丈量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被丈量变化之比。对于

22、变极距型其静态灵敏度的被丈量变化之比。对于变极距型其静态灵敏度kgkg为为 /110CCKg 43201CKg 可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被丈可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被丈量而变化。减小量而变化。减小可以提高灵敏度。但可以提高灵敏度。但过小易导致过小易导致电容器击穿空气的击穿电压为电容器击穿空气的击穿电压为3kV3kVmmmm。可在极间。可在极间加一层云母片其击穿电压大于加一层云母片其击穿电压大于 103kV/mm 103kV/mm或塑料膜或塑料膜来改善电容器耐压性能。来改善电容器耐压性能。灵敏度取决于灵敏度取决于r2/r1r2/r1，r2r2与与r1r1越接近

23、，灵敏度越高。虽然内外极越接近，灵敏度越高。虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否那么边缘效应将筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否那么边缘效应将影响到传感器的线性。影响到传感器的线性。 另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动构造方另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动构造方式来提高静态灵敏度，普通提高一倍。例如，对变面积型差动式式来提高静态灵敏度，普通提高一倍。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为线位移电容式传感器，其静态灵敏度为 120/ln2rrlClCkg对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为对于圆柱形变面积型电容式传感器

24、，其静态灵敏度为121212/ln4/ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式传感器在忽略边缘效应时，其输入被丈量与输出电容量呈电容式传感器在忽略边缘效应时，其输入被丈量与输出电容量呈线性关系，因此其静态灵敏度为常数。线性关系，因此其静态灵敏度为常数。 显然，输出电容显然，输出电容CC与被丈量之间是非线性关与被丈量之间是非线性关系。系。 只需当只需当/1/1时，略去各非线性项后才干时，略去各非线性项后才干得到近似线性关系为得到近似线性关系为 C CC0(/)C0(/)。由于

25、。由于 取值取值不能大，否那么将降低灵敏度，因此变极距型电不能大，否那么将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常任务在一个较小的范围内，而且容式传感器常任务在一个较小的范围内，而且最大应小于极板间距最大应小于极板间距 的的1/51/51/101/10。/1100CCC 2 2、非线性、非线性 对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：其电容量的变化：3201CC可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。采用差动方式，并取两电容之差为输出量采用差动方式，并取两电容之差为输出

26、量C C42012CC二、特点二、特点主要优点：主要优点：1 1温度稳定性好温度稳定性好传感器的电容值普通与电极资料无关，仅取决于电极传感器的电容值普通与电极资料无关，仅取决于电极的几何尺寸，有利于选择温度系数低的资料；的几何尺寸，有利于选择温度系数低的资料；因本身发热极小，影响甚微。因本身发热极小，影响甚微。2 2构造简单，顺应性强构造简单，顺应性强电容式传感器构造简单，易于制造。电容式传感器构造简单，易于制造。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的丈量。求的丈量。金属作电极，无机资料作支撑。能在高低温、强辐射金属作电极，无机资料作支

27、撑。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下任务，顺应才干强，及强磁场等各种恶劣的环境条件下任务，顺应才干强，尤其可以接受很大的温度变化，在高压力、高冲击、尤其可以接受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常任务。过载等情况下都能正常任务。3 3动态呼应好动态呼应好极板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此其固有频率极板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此其固有频率很高，动态呼应时间短，能在几很高，动态呼应时间短，能在几MHzMHz的频率下任务，特别适宜的频率下任务，特别适宜动态丈量。动态丈量。介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统任务频率高。介质损耗小可以用较高频

28、率供电，因此系统任务频率高。可用于丈量高速变化的参数，如丈量振动、瞬时压力等。可用于丈量高速变化的参数，如丈量振动、瞬时压力等。4 4可以实现非接触丈量、具有平均效应可以实现非接触丈量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触丈量的情况下当被测件不能允许采用接触丈量的情况下, ,电容传感器可以完电容传感器可以完成丈量义务。当采用非接触丈量时成丈量义务。当采用非接触丈量时, ,电容式传感器具有平均效电容式传感器具有平均效应应, ,可以减小工件外表粗糙度等对丈量的影响。可以减小工件外表粗糙度等对丈量的影响。 a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器缺陷：缺陷：1 1

29、输出阻抗高，负载才干差输出阻抗高，负载才干差容量受其电极几何尺寸限制，普通为几十到几百容量受其电极几何尺寸限制，普通为几十到几百pFpF，输出，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，输出阻抗高达抗高达106106108108。因此传感器负载才干差，易受外界干。因此传感器负载才干差，易受外界干扰影响而产生不稳定景象，必需采取屏蔽措施。扰影响而产生不稳定景象，必需采取屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高几十容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高几十MM以以上，否那么绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性上，否那么绝缘部分将作为

30、旁路电阻而影响传感器的性能如灵敏度降低。能如灵敏度降低。2 2寄生电容影响大寄生电容影响大表现：传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容表现：传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l(l2m2m导线可达导线可达800pF)800pF)、丈量电路的杂散电容以及传感器极板与其、丈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周围导体构成的电容等“寄生电容却较大。寄生电容却较大。影响：降低了传感器的灵敏度；寄生电容影响：降低了传感器的灵敏度；寄生电容( (如电缆电容如电缆电容) )常随机变化，将使传感器任务不稳定，影响丈量精度。因此常随机变化，将使传感器任务不稳定，影响丈量精度。因此对电

31、缆选择、安装、接法有要求。对电缆选择、安装、接法有要求。措施：随着资料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速措施：随着资料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速开展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺陷不断得到抑制。开展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺陷不断得到抑制。三、三、 设计要点设计要点1 1减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘资料的减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘资料的绝缘性能绝缘性能主要影响：主要影响：温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改动某些介质的介电常数发生改动, ,从而改动传感器的电容从而改

32、动传感器的电容量量, ,产生温度误差。产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。措施：措施：电极设计：金属电极的资料以选用温度系数低的铁镍电极设计：金属电极的资料以选用温度系数低的铁镍合金；也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，合金；也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。l密封：内电极外表不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、密封：内电极外表不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮；在电极外表镀以极薄的惰性金属如铑等层，那么防潮；在电极外表镀以极

33、薄的惰性金属如铑等层，那么可替代密封件起维护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。可替代密封件起维护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。l电极支架设计：要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。电极支架设计：要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝因此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、低吸潮性和高外表电阻的资料。例如石英、云母、缘电阻、低吸潮性和高外表电阻的资料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。人造宝石及各种陶瓷等做支架。l电介质选择：尽量采用空气等介电常数近零的电介质。电介质选择：尽量采用空气等介电常数近零的电介质。2 2消除和减

34、小边缘效应消除和减小边缘效应适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有能够限制丈量范围。效应的影响，但易产生击穿并有能够限制丈量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。的影响。构造上增设等位环来消除边缘效应。等位环构造上增设等位环来消除边缘效应。等位环3 3与电极与电极2 2在同一平面在同一平面上并将电极上并将电极2 2包围，且与电极包围，且与电极2 2电绝缘但等电位，这就能使电极电绝缘但等电位，这就能使电极2

35、2的边缘电力线平直，电极的边缘电力线平直，电极1 1和和2 2之间的电场根本均匀，而发散的边之间的电场根本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环缘电场发生在等位环3 3外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。 带有等位环的平板电容传感器构造原理图均匀电场1233边缘电场1 1添加传感器原始电容值添加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距采用减小极片或极筒间的间距( (平板式间距为平板式间距为0.20.5mm0.20.5mm，圆筒式间距为圆筒式间距为0.15mm)0.15mm)，添加任务面积或任务长度来添加原始电，添加任务面积或任务长度来添加原始电容值，但受加工及装配工艺、

36、精度、示值范围、击穿电压、构造容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、构造等限制。普通电容值变化在等限制。普通电容值变化在 10-3103 pF 10-3103 pF范围内，相对值变化范围内，相对值变化在在 10-61 10-61范围内。范围内。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化那么为虚伪信号影响仪器的精度，必需消除和减小它。可采用方法： 3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响1 1添加传感器原始电容值添加传感器原始电容值2 2留意传感器的接地和屏蔽；留意传感器的接地和屏蔽；3 3集成化集成化4 4采用采用“驱动电缆驱动电缆( (双层屏蔽等位

37、传输双层屏蔽等位传输) )技术技术5 5采用运算放大器法；采用运算放大器法；6 6整体屏蔽法整体屏蔽法2 2留意传感器的接地和屏蔽留意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一同随被丈量挪动。可动极筒与传感器的屏蔽壳与连杆固定在一同随被丈量挪动。可动极筒与传感器的屏蔽壳良导体同为地，因此当可动极筒挪动时，固定极筒与屏蔽壳良导体同为地，因此当可动极筒挪动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将坚持不变，从而消除了由此产生的虚伪信号。之间的电容值将坚持不变，从而消除了由此产生的虚伪信号。引线电缆也必需屏蔽在引线电

38、缆也必需屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应小电缆电容的影响，应尽能够运用短而粗的电尽能够运用短而粗的电缆线，缩短传感器至电缆线，缩短传感器至电路前置级的间隔。路前置级的间隔。 绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器表示图3 3集成化集成化 将传感器与丈量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去将传感器与丈量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器任务稳定。使仪器任务稳定。4 4采用采用“驱动电缆驱动电缆( (双层屏蔽等位传输双

39、层屏蔽等位传输) )技术技术适用情况：当电容式传感器的电容值很小，而因某些缘由适用情况：当电容式传感器的电容值很小，而因某些缘由( (如环如环境温度较高境温度较高) )，丈量电路只能与传感器分开。，丈量电路只能与传感器分开。引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线( (即电缆芯线即电缆芯线) )经经过过1:11:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为称为“驱动电缆。驱动电缆

40、。采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。1：1丈量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆技术原理图5 5采用运算放大器法采用运算放大器法电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点点, ,电电缆的屏蔽层接仪器地缆的屏蔽层接仪器地, ,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容容Cp/(1Cp/(1A)A)，因此大大地减小了电缆电

41、容的影响。，因此大大地减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。-AuoCCxu利用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图6 6整体屏蔽法整体屏蔽法 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。和防止外界的干扰。差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层

42、差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂接地点选择在两固定辅助阻抗臂 Z3Z3和和Z4Z4中间。中间。电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容CP1CP1和和CP2CP2分别与分别与Z3Z3和和Z4Z4相并联。假设相并联。假设Z3Z3和和Z4Z4比比CP1CP1和和CP2CP2的容抗小得多，那么寄生电的容抗小得多，那么寄生电容容CP1CP1和和CP2CP2对电桥平衡形状的影响就很小。对电桥平衡形状的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A5 5防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 当外界干扰当外界干扰(

43、(如电磁场如电磁场) )在传感器上和导线之间感应出电压并在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一同保送至丈量电路时就会产生误差。接地点不同所产生与信号一同保送至丈量电路时就会产生误差。接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和缺点。的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和缺点。防止和减小干扰的措施归纳为：防止和减小干扰的措施归纳为： u屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与丈量电路前屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与丈量电路前置级等等。置级等等。u添加原始电容量，降低容抗。添加原始电容量，降低容抗。u导线和导线之间要离得远，线要尽能够短，最好成直角导线和导

44、线之间要离得远，线要尽能够短，最好成直角陈列，假设必需平行陈列时，可采用同轴屏蔽电缆线。陈列，假设必需平行陈列时，可采用同轴屏蔽电缆线。u尽能够一点接地，防止多点接地。地线要用粗的良导体尽能够一点接地，防止多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。或宽印制线。u采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 第四节第四节 电容式传感器举例电容式传感器举例一、集成电容传感器一、集成电容传感器构成：运用集成电路工艺可以把电容敏感元件与构成：运用集成电路工艺可以

45、把电容敏感元件与丈量电路制造在一同丈量电路制造在一同 。中心部件：对被丈量敏感的集成电容器。中心部件：对被丈量敏感的集成电容器。 一根本类型及任务原理一根本类型及任务原理1、加速度集成电容传感器、加速度集成电容传感器技术运用：多晶硅外表微加工技术技术运用：多晶硅外表微加工技术 。构造组成：构造组成：三层多晶硅组成的差动电容器构造，各层多晶硅之间由三层多晶硅组成的差动电容器构造，各层多晶硅之间由气隙隔开。气隙隔开。顶层顶层(第一层第一层)和底层和底层(第三层第三层)是固定不动的，第二层是一是固定不动的，第二层是一个作为振动物的悬臂梁。个作为振动物的悬臂梁。第一层多晶硅与第二层之间构成底层电容第一

46、层多晶硅与第二层之间构成底层电容C1，第二层与，第二层与第三层之间构成顶层电容第三层之间构成顶层电容C2。 第一层多晶体第二层多晶体第三层多晶体衬底顶帽加速度集成压力传感器加速度集成压力传感器l 任务原理：任务原理：l 当没有加速度作用时，悬臂梁处于顶层和底层的中间当没有加速度作用时，悬臂梁处于顶层和底层的中间位置。位置。C1 = C2C1 = C2，系统处于平衡形状。，系统处于平衡形状。l 当有加速度作用时，悬臂梁与顶层和底层之间产生位当有加速度作用时，悬臂梁与顶层和底层之间产生位移，使其中一个电容器的极间距增大，而另一个的减移，使其中一个电容器的极间距增大，而另一个的减小。小。l 此类属于

47、变极距型的差动电容传感器，而且电容变化此类属于变极距型的差动电容传感器，而且电容变化量的大小与加速度成正比。量的大小与加速度成正比。 2 2、压力集成电容传感器、压力集成电容传感器技术运用：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合以及常规技术运用：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术。集成电路工艺技术。构造组成：构造组成：电容器的两个电极，一个处在玻璃上，另一个在硅片的电容器的两个电极，一个处在玻璃上，另一个在硅片的薄膜上。薄膜上。硅薄膜是由腐蚀硅片的正面硅薄膜是由腐蚀硅片的正面( (约几微米约几微米) )和反面和反面( (约约200m)200m)而构成的，而构成的，在硅片和玻璃键合在

48、一同之后，就构成了具有一定间隙在硅片和玻璃键合在一同之后，就构成了具有一定间隙的电容器。的电容器。 l 任务原理：当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生任务原理：当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生形变使电容器两极的间距发生变化，因此引起电容量形变使电容器两极的间距发生变化，因此引起电容量的变化。的变化。 玻璃电极Si硅模p二转换电路二转换电路1、开关电容转换电路、开关电容转换电路构造组成：三个构造组成：三个MOS开关、两个差动电容开关、两个差动电容(即传感器电即传感器电容容)C1和和C2以及一个反向器组成取样坚持电路和积分以及一个反向器组成取样坚持电路和积分电路。电路。 任务原理：任务原理：振

49、荡器产生的开关脉冲控制开关振荡器产生的开关脉冲控制开关S1和和S2分别将分别将C1和和C2接接参考电压参考电压URef或接地，即轮番给或接地，即轮番给C1和和C2充电，充电，C1和和C2的电荷又转移给的电荷又转移给C3。S3为复位开关。为复位开关。 前半周期，开关前半周期，开关S1接接URef而开关而开关S2接地，那么构成输出接地，那么构成输出电压电压U0为为C1URef/C3；后半周期，开关；后半周期，开关S2接接URef而而开关开关S1接地，那么构成输出电压接地，那么构成输出电压U0为为C2URef/C3。 输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半

50、周期的幅值差为幅值差为(URef/C3)(C1(URef/C3)(C1C2)C2)。该幅值差与电容变。该幅值差与电容变化量成正比。化量成正比。URefU0S1S2C1C2C32 2、二极管环形检波转换电路、二极管环形检波转换电路在鼓励信号的正半周，有电荷从在鼓励信号的正半周，有电荷从B B点经过点经过VD2VD2对对CxCx充电，同时也有电荷从充电，同时也有电荷从A A点经过点经过VD3VD3对对C0C0充电。充电。在鼓励信号的负半周，在鼓励信号的负半周，CxCx上的电荷经上的电荷经VD1VD1向向A A点放点放电，同时电，同时C0 C0 上的电荷也经上的电荷也经VD4VD4向向B B点放电。

51、点放电。即在一个周期内，有电荷即在一个周期内，有电荷QBAQBA从从B B点经点经CxCx转移到转移到A A点，同时有电荷点，同时有电荷QABQAB从从A A点经点经C0C0转移到转移到B B点。点。被测压力使被测压力使CxCx变化，那么变化，那么CxC0CxC0，结果，结果QBAQABQBAQAB。这就使这就使A A点和点和B B点有净电荷积累出现，导致两点点有净电荷积累出现，导致两点的直流电位一个升高的直流电位一个升高U0/2U0/2、另一个降低、另一个降低U0/2U0/2，反过来又减少了静电荷的积累。直至到达动平反过来又减少了静电荷的积累。直至到达动平衡：静电荷积累终了，衡：静电荷积累终

52、了，QBAQBAQABQAB。 设二极管正导游通电压设二极管正导游通电压UdUd，那么有，那么有000000222CCCCUUUCUUUQCUUUQxxddABxdBA三特点与运用三特点与运用特点：集成电路工艺可以把间距和尺寸做得非常小，而特点：集成电路工艺可以把间距和尺寸做得非常小，而且还可把丈量电路与敏感电容集成在一同。它具有体且还可把丈量电路与敏感电容集成在一同。它具有体积小、输出阻抗小、可批量消费、反复性好、灵敏度积小、输出阻抗小、可批量消费、反复性好、灵敏度高、任务温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许多优高、任务温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许多优点，而且非常适宜于点，而且非常适宜于

53、CMOS制造技术，因此近年来得制造技术，因此近年来得到很大开展。但这种传感器假设不加适当屏蔽的话，到很大开展。但这种传感器假设不加适当屏蔽的话，易受电磁干扰。易受电磁干扰。运用：加速度集成电容传感器运用于机械工具监控、工运用：加速度集成电容传感器运用于机械工具监控、工业振动监控、应急检测、汽车停车控制、汽车刹车控业振动监控、应急检测、汽车停车控制、汽车刹车控制、设备控制等，量程为制、设备控制等，量程为40g、灵敏度为、灵敏度为40mV/g、线、线性为性为0.5%、带宽为、带宽为400Hz。二、容栅式传感器二、容栅式传感器主要特点：任务原理基于变面积型电容传感器。主要特点：任务原理基于变面积型电

54、容传感器。具有电容式传感器的优点，又具有多极电容的具有电容式传感器的优点，又具有多极电容的平均效应，可采用闭环反响式等丈量电路。丈平均效应，可采用闭环反响式等丈量电路。丈量精度提高量精度提高5m5m，量程扩展，量程扩展1m1m。运用：数显卡尺、测长机等数显量具。运用：数显卡尺、测长机等数显量具。容栅丈量系统：栅状电容极板丈量电路容栅丈量系统：栅状电容极板丈量电路一任务原理及转换电路一任务原理及转换电路1、开环调幅式丈量原理、开环调幅式丈量原理组成：均匀陈列的定栅；一对一样尺寸的交错对插动栅组成：均匀陈列的定栅；一对一样尺寸的交错对插动栅对。对。任务过程：安装如右图，重叠面积为暗区域，随位移反任

55、务过程：安装如右图，重叠面积为暗区域，随位移反向变化的差动电容器向变化的差动电容器C1和和C2。丈量电路：差动变压器。丈量电路：差动变压器。特点：丈量精度提高，可实现大位移丈量。特点：丈量精度提高，可实现大位移丈量。2、闭环调幅式丈量原理、闭环调幅式丈量原理A、B动尺的两组电极片，各由四片小电极片组成；位动尺的两组电极片，各由四片小电极片组成；位置置a时，一组为小电极片时，一组为小电极片14，另一组为，另一组为58。P-定尺上的一片电极片，与定尺上的一片电极片，与A、B间构成差动电容器间构成差动电容器CA、CB。S1、 S2方波脉冲控制开关，轮番将参考直流电压方波脉冲控制开关，轮番将参考直流电

56、压U0和丈量转换系统的直流输出电压和丈量转换系统的直流输出电压Um分别接入两个小电分别接入两个小电极组极组A和和B。 l 假设系统保证电容极板假设系统保证电容极板P P为虚地，那么在一个周期内，为虚地，那么在一个周期内，鼓励信号经过差动电容鼓励信号经过差动电容CACA和和CBCB在电容极板在电容极板P P上产生的电上产生的电荷量荷量QPQP(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。l 当当QPQP为零时，丈量转换电路保证为零时，丈量转换电路保证UmUm不变；否那么导致不变；否那么导致丈量转换电路使丈量转换电路使UmUm改动，并保证其变化使改动，并保证

57、其变化使QPQP的值减小，的值减小，直至为零。直至为零。 成线性关系。结论：输出电压与位移经推导得ABBAmCCCCUU0l 阐明：当相对位移量超越阐明：当相对位移量超越l0(l0(小电极片的间距小电极片的间距) )即即L0/4L0/4时，时，由控制电路自动改动小电极片组的接线，见图中位置由控制电路自动改动小电极片组的接线，见图中位置b b，这时电极片组由小电极片这时电极片组由小电极片2 25 5构成；电极片组由小电极片构成；电极片组由小电极片6 69 9构成。这样，在电极片构成。这样，在电极片P P相对挪动的过程中，能保证相对挪动的过程中，能保证一直与不同的小电极片构成同样的差动电容器，反复

58、前述一直与不同的小电极片构成同样的差动电容器，反复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。 3 3、调相式丈量原理、调相式丈量原理1 1构造组成构造组成极板极板K K：数个发射极片组构成，每个极片组中有八个宽度：数个发射极片组构成，每个极片组中有八个宽度均为均为l0l0的发射极片，分别加以八个幅值为的发射极片，分别加以八个幅值为UmUm、频率为、频率为、相位依次相差、相位依次相差/4/4的正弦鼓励电压。的正弦鼓励电压。另一极板：包括许多反射极片另一极板：包括许多反射极片M M和接地的屏蔽极片和接地的屏蔽极片S S。接纳极片接纳极片R R。反射式容栅传

59、感器构造和安装表示图反射式容栅传感器构造和安装表示图2 2丈量原理：丈量原理：当两个极板处于相对位置当两个极板处于相对位置a a时，每个发射极片与反射极片完时，每个发射极片与反射极片完全覆盖，所构成的电容均为全覆盖，所构成的电容均为C0C0。 两个极板相对挪动两个极板相对挪动x(l0)x(l0)而处于位置而处于位置b b时，假设将反射极片时，假设将反射极片的电压记为的电压记为UMUM、接受极片的电压记为、接受极片的电压记为URUR，反射极片与接，反射极片与接受极片之间的电容记为受极片之间的电容记为CMRCMR、接受极片与地之间的电容记、接受极片与地之间的电容记为为CRGCRG，那么有，那么有

60、l 传感器输出一个与鼓励同频的正弦波电压，其幅值近传感器输出一个与鼓励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数似为常数k k，而其相位，而其相位那么与被测位移那么与被测位移x x近似成线性近似成线性关系。通常采用相位跟踪法测出相位角关系。通常采用相位跟踪法测出相位角 。l 当被测位移当被测位移x x超越超越l0l0时，那么反复上述过程，勿需改动时，那么反复上述过程，勿需改动发射极片的接线即可实现大位移丈量。发射极片的接线即可实现大位移丈量。二容栅传感器的构造方式二容栅传感器的构造方式动栅：陈列一系列尺寸一样、宽度为动栅：陈列一系列尺寸一样、宽度为l0的小发射电极片的小发射电极片18。R为公共接纳极。