电气测试技术第三章电容式传感器.

1、广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院第三章第三章 电容式传感器电容式传感器变换原理变换原理: :将被测量转化为电容量变化将被测量转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :dsdsCr0+ds d d、s s或或r r发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。都会引起电容的变化。第一节第一节 工作原理及特性工作原理及特性广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院电容式传感器电容式传感器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院a)a)变面积型变面积型dsC角位移型角位移型+电容式传感器电容式传感器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院

2、平面线位移型平面线位移型电容式传感器电容式传感器 dsC广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院柱面线位移型柱面线位移型. .)/ln(20dDlrC广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院电容式传感器电容式传感器 b)b)变间隙型变间隙型+dsrC0+广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性

3、能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 电容式传感器电容式传感器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院电容式传感器电容式传感器 dsCd201201dsdck则灵敏度系数CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dk不是常数,且与d 成反比。极距越小灵敏度越高，但非线性误差会越大。实际应用中为提高灵敏度和扩大线性范围，多采用差动式电容传感器。20问题：问题：d是越小好还是大好呢？是越小好还是大好呢？广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院差动结构差动结构.)()(1111302000000001d

4、dddddCddcdddsddsC.)()(1111302000000002ddddddCddcdddsddsC.)()(1240200021ddddddCCCC电容式传感器电容式传感器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院忽略高次项得002ddCC则灵敏度系数200022dsdCdCk结论：差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。减小了非线性误差。减小了非线性误差。能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院c) c) 变介电常数型变介电常数型电容式传感器电容式传感器 dsrC0广东机电职

5、业技术学院广东机电职业技术学院DdHh1电容式液面计结构原理图 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）电容式传感器电容式传感器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院电容式传感器电容式传感器 第二节第二节 测量电路测量电路a)a)交流电桥电路交流电桥电路 一、调幅型测量电路一、调幅型测量电路单臂电桥单臂电桥输出电压U0与电容C之间是非线性的。差动接法差动接法电容式传感器电容式传感器测量电路测量电路电压或频率信号电压或频率信号输出电压U0与电容C之间成线性关系。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院b) b

6、) 运算放大器电路运算放大器电路 电容式传感器电容式传感器 电路特点：使输出电压电路特点：使输出电压U0与电容传感器两级间的间距成正比。与电容传感器两级间的间距成正比。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院二、脉宽调制型测量电路二、脉宽调制型测量电路图3.2.3 差动脉冲宽度调制电路双稳态触发器+-+-C1C2R2R1+-N1N2N3V1V2RSurPMNBQQAU0UFQQAB广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院基础知识回顾：基础知识回顾：1、单门限比较器工作原理2、RS触发器工作原理工作原理：通过利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随工作原理：通过利用传感器电容充放电，使电路

7、输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化。电容传感器的电容量变化而变化。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院LCf210电容式传感器电容式传感器 三、调频型测量电路三、调频型测量电路鉴频器限幅放大器振荡器CxLCx电容传感器fufu广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院第三节第三节 实际中存在的问题实际中存在的问题一、温度对结构尺寸的影响一、温度对结构尺寸的影响由于构成传感器的材料不同，所以线膨胀系数不同。由于构成传感器的材料不同，所以线膨胀系数不同。温度温度t变化变化C的几何形状变化的几何形状变化电容量变化电容量变化C=C0+CP+Ct 传感器的初始电容量传感器的初始电容量被测信

8、号作用下电容量的增量被测信号作用下电容量的增量环境温度变化产生附加的电容增量环境温度变化产生附加的电容增量Ct决定传感器温度误差的大小。决定传感器温度误差的大小。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院二、电容电场的边缘效应二、电容电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，引起传感器灵敏度降低和非线性增加。相当于传感器并联了一个附加电容，引起传感器灵敏度降低和非线性增加。克服边缘效应的方法克服边缘效应的方法增加初始电容量增加初始电容量C0增大面积增大面积减小间距减小间距加装等位环加装等位环广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院三、寄生电容的影响三、寄生电容的影响1、除极板与极板间存在电容

9、外，极板与周围物体也产生电容寄生电容。、除极板与极板间存在电容外，极板与周围物体也产生电容寄生电容。2、寄生电容的存在对传感器的影响、寄生电容的存在对传感器的影响使传感器的电容量发生改变使传感器的电容量发生改变导致传感器特性不稳定，并导致传感器特性不稳定，并产生干扰产生干扰3、克服寄生电容：静电屏蔽、克服寄生电容：静电屏蔽广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院测量头构成电容器的一测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接接近开关时，物体和接近开关的近开关的介电常数介电常数发生发生变化，使得和测量头相变化，使得和测量

10、头相连的电路状态也随之发连的电路状态也随之发生变化生变化. .由此便由此便可控制可控制开关的接通和关断开关的接通和关断; ;接接近开关的检测物体，并近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状以是绝缘的液体或粉状物体。物体。电容式传感器的应用举例第三节第三节广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院构成：构成：膜片膜片动极板，一般采用不锈动极板，一般采用不锈钢材料制作，需要加预张力。钢材料制作，需要加预张力。 玻璃基片上镀有金属层的球面玻璃基片上镀有金属层的球面极板，这里的球面很夸张。极板，这里的球面很夸张。 球面的作用

11、是压力过大时球面的作用是压力过大时（过载）保护膜片，并改善系统（过载）保护膜片，并改善系统的非线性。的非线性。 后续测量电路常使用差动脉后续测量电路常使用差动脉 冲调宽电路。冲调宽电路。广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院以差动电容为检测原理组成的电容式差压变送器以差动电容为检测原理组成的电容式差压变送器 广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院 Veridicom的指纹传感芯片表面由的指纹传感芯片表面由300300个电容传感个电容传感器组成。器组成。 当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导

12、致硅的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导致硅表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。指纹传感芯片：指纹传感芯片：电容感应原理电容感应原理贝尔实验室贝尔实验室广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院 转速测量转速测量1 齿轮齿轮 2 定极定极 3 电容传感器电容传感器 4 频率计频率计2 21 13 34 4其它应用：其它应用：广东机电职业技术学院广东机电职业技术学院1、一圆形平板式电容传感器，极板面积为、一圆形平板式电容传感器，极板面积为500mm ，初始间隙为初始间隙为0.5mm，空气介质，则该传感器灵敏度为多，空气介质，则该传感器灵敏度为多少？当极板间隙减小少？当极板间隙减小4um，则电容变化