第4章电容传感器课件.ppt

1、第第4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 电容式传感器的工作原理4.2 电容式传感器主要性能4.3 电容式传感器的特点和设计要点4.4 电容式传感器等效电路4.5 电容式传感器测量电路4.6 电容式传感器的应用4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理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返回1.工作原理及类型工作原理及类型SSCr0 S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；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返回变极距变极距(）

2、型型:(a)、(b)变面积型变面积型(S)(S)型型:(c)、(d)、(e)变介电常数变介电常数()型型:（f）、(g)2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器200001)1(1 ddddCddCddsCCCr非线性关系非线性关系 若若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善或塑料膜来改善电容器耐压性能电容器耐压性能 差动结构可提高灵敏度差动结构可提高灵敏度,改善非线性改善非线性1.静态灵敏度静态灵敏度baaabSC0aaCababbaaCCC00baCaCkg0b kg减小减小、加云母片、增大、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度、采用差动结构可提高灵敏度2.非线性非线性CCC0011

3、/1/将上式展开成泰勒级数得将上式展开成泰勒级数得 CC 02311/CC0(/)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 mmm9.001.0)51101(采用采用差动形式差动形式，并取两电容变化量之和作为输出量，并取两电容变化量之和作为输出量 CC21024差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 4.3 传感器的特点和设计要点传感器的特点和设计要点 1.特特 点点2.设计要点设计要点返回1、特点、特点 优点优点:(1)温度稳定性好温度稳定性好 电容值与电极材料无关，本身发热极小电容值与电极材料无关，本身发热极小(

4、2)结构简单、适应性强结构简单、适应性强 易于制造易于制造,体积小体积小,能在恶劣环境下工作能在恶劣环境下工作(3)动态响应好动态响应好 动态响应时间短动态响应时间短,可以用较高频率供电可以用较高频率供电(4)可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应缺缺 点：点：(1)输出阻抗高、负载能力差输出阻抗高、负载能力差 电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮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，尤其当采用音频范围内的交法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达流电源时，输出阻抗高达106108。因

5、此传感器负载能力因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响差，易受外界干扰影响 (2)寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、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容等“寄生电容寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容另一方面这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变化的，将使传常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度感器工作不稳定，影响测量精度.2.设计要点设计要点

6、(1)减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘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材料的绝缘性能 (2)消除和减小边缘效应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尽可能采用差动式电容传感器(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能减小温度误差、保证高的绝缘性能 ：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）（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：选用温度系数小

7、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英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 ：空气或云母：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、防温、防潮传感器密封，用以防尘、防温、防潮 采用采用、测量电路来减小温度等误差、测量电路来减小温度等误差(2)消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 危害：灵敏度降低危害：灵敏度降低 产生非线性产生非线性 减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大,易易产生击穿并有可能

8、限制测量范围产生击穿并有可能限制测量范围 等位环结构等位环结构 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，因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同好相反，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。时下降。(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。外界干扰。（a）屏蔽和接地）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。）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）导线间分

9、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。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）尽可能一点接地，避免多点接地 (4)差动技术的运用差动技术的运用 减小非线性误差减小非线性误差提高传感器灵敏度提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响温度、湿度等环境因素的影响4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容的总寄生电容Rg是极间

10、等效漏电阻是极间等效漏电阻rC0CPRgLL包括引线电缆电感和电容包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；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低频等效电路低频等效电路 v传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略v等效电容等效电容Ce=C0+Cp，v等效电阻等效电阻ReRg CeRg高频等效电路高频等效电路 v电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的的影响不可忽略，漏电的影响可忽略影响可忽略，其中，其中Ce=C0+Cp，而，而r

11、er reCeL4.5 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路(1)调频电路调频电路(2)运算放大器电路运算放大器电路(3)双双T型电桥电路型电桥电路(4)脉宽调制电路脉宽调制电路返回(1)调频电路调频电路LCf21特点：特点：n转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。n具有较高的灵敏度，可以测量高至具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。级位移变化量。n但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。后，进行补偿。(2)运算放大器式电路运算放大器式电路：能克服

12、变极距型电容传感器的非线性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 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 /()/()/)(SCxuuCS0 从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性 假设放大器开环放大倍数假设放大器开环放大倍数A=A=，输入阻抗，输入阻抗Z Zi i=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A A和和Z Zi i足够足够大，所

13、以这种误差很小。大，所以这种误差很小。(3)二极管双二极管双T充放电网络充放电网络正负半周分析：正负半周分析：正半周：正半周：C1充电，电流顺时针；充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针放电，电流逆时针负半周：负半周：C2充电，电流逆时针；充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针放电，电流顺时针若若C1=C2，则电流抵消，若，则电流抵消，若C1 C2，则，则RL有信号输出有信号输出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：几点说明：n该电路电源频率该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的级，电源电压几十伏，

14、电源的稳定性对输出直接产生影响。稳定性对输出直接产生影响。n当电容以当电容以PF级变化时，输出以级变化时，输出以V级变化。级变化。n适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器器。(4)差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 v利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度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随传感器电容量变化而变化v通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号号 BQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器uAB经低通滤波后，就可得到一直

15、流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA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。C1、C2的充电时间的充电时间TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln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 UCCCCUr01212：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1、2和和S1、S2 差动变极距型差动变极

16、距型差动变面积型差动变面积型 EUU12120EUSSSSU12210差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容 式传感器并具有理论上的线性特性式传感器并具有理论上的线性特性 优优 点：点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压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对输出矩形波的纯度要求也不高 4.6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器

17、电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器返回P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(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 1、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 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 231B 面A 面546Cx1Cx2a)a)测振幅测振幅被测物振动电容式传感器b)b)测轴回转精度和轴心偏摆测轴回转精度和轴心偏摆被测轴电容式传感器