第4章电容式传感器

1、第4章电容式传感器 第4章电容式传感器 第一节第一节 基本工作原理、结构及特点基本工作原理、结构及特点 平行板电容器平行板电容器 C - 电容量（电容量（F）；）； A - 两极板相互覆盖面积（两极板相互覆盖面积（m2）；）； d - 两极板间距离两极板间距离(m) ； - - 两极板间介质介电常数两极板间介质介电常数(F/m)。 分类分类 变极（间）距型变极（间）距型 变面积型变面积型 变介电常数型变介电常数型 第4章电容式传感器 介质的相对介电常数介质的相对介电常数 0- 真空的介电常数真空的介电常数, 0 8.854 10 12 (F/m)。 物质名称物质名称相对介电常数相对介电常数物质

2、名称物质名称相对介电常数相对介电常数 水水80乙醇乙醇2025 米及谷类米及谷类35 聚四氟乙烯塑料聚四氟乙烯塑料 1.82.2 纸纸2 空气及其它气体空气及其它气体 11.2 真空真空1云母云母68 常见介质的相对介电常数常见介质的相对介电常数 第4章电容式传感器 一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器 当当 时，时， 第4章电容式传感器 C=f(d)特性曲线特性曲线 第4章电容式传感器 略去其高次项，得到近似线性关系式：略去其高次项，得到近似线性关系式： 灵敏度为灵敏度为 ： 如果考虑线性项和二次项，如果考虑线性项和二次项， 相对非线性误差为：相对非线性误差为： 变极距型电容传感器的

3、变极距型电容传感器的 非线特性非线特性 第4章电容式传感器 定极板 动极板 空气 固体电介质 在两极板间加一层云母或塑料膜：在两极板间加一层云母或塑料膜： 具有固体介质的变间隙式电容传感器具有固体介质的变间隙式电容传感器 A d 21 111 CCC 1 10 1d A r C 2 20 2d A r C 20 2 10 1 r d r d A C 第4章电容式传感器 差动式结构差动式结构 当动极板向上位移当动极板向上位移 为为 d时，时， d1 d0- d d2 d0+ d 电容总的变化电容总的变化 : 灵敏度为灵敏度为 ： 2 0 0 0 0 22 d A d C d C k 第4章电容式

4、传感器 只考虑线性项和三次项只考虑线性项和三次项,则相对非线性误差为则相对非线性误差为: 差动式电容传感器的差动式电容传感器的 C d/d0曲线曲线 第4章电容式传感器 电容式差压变换器结构电容式差压变换器结构 （用于测量呼吸的流量大小和呼吸气流极性等参数）（用于测量呼吸的流量大小和呼吸气流极性等参数） 第4章电容式传感器 二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器 1、直线位移式、直线位移式 当动极板向右（或向左）当动极板向右（或向左） 平移平移x时，时， 第4章电容式传感器 第4章电容式传感器 2、角位移式、角位移式当初始位置当初始位置 = 0时，时， 当当 0时时 灵敏度灵敏度K 第4

5、章电容式传感器 三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 （1）柱式）柱式 l l-两圆筒（电极）相互覆盖两圆筒（电极）相互覆盖 的有效高度；的有效高度； R- 外圆筒（电极）半径；外圆筒（电极）半径； r- 内圆筒（电极）半径；内圆筒（电极）半径； - 介质介电常数介质介电常数 电容值为：电容值为： 第4章电容式传感器 电容液面计：电容液面计： R R外电极半径；外电极半径； r-r-内电极半径；内电极半径； l l2 2-电极总长度；电极总长度； l= ll= l0 0 +l +l1 1 ，液面高度； ，液面高度； l l1 1-电极浸入液体的高度；电极浸入液体的高度； l l

6、0 0-电极底部距容器底部的电极底部距容器底部的 高度；高度； 1 1-被测介质的介电常数；被测介质的介电常数； 2 2-液面上面气体的介电常液面上面气体的介电常 数。数。 气体介质的电容：气体介质的电容： 液体介质的电容：液体介质的电容： 第4章电容式传感器 = K+Bl l 传感器电容量传感器电容量C与液面高度与液面高度l l成线性关系成线性关系 第4章电容式传感器 （2）平行板式）平行板式 A极板面积；极板面积； h固体介质厚度；固体介质厚度； d极距；极距； r固体介质相对介电常数。固体介质相对介电常数。 空气隙的电容值：空气隙的电容值：固体介质的电容值：固体介质的电容值： 电容器的电

7、容值为电容器的电容值为 : 第4章电容式传感器 初始电容值为：初始电容值为：当当 （灵敏度因子）（灵敏度因子） （非线性因子）（非线性因子） 当当 时，时， 第4章电容式传感器 2、此传感器若保持、此传感器若保持 r 不变，可测介质厚度的变化。不变，可测介质厚度的变化。 应用：应用： 1、测湿度、测湿度 灵敏度因子和非线性因子灵敏度因子和非线性因子 灵敏度灵敏度 第4章电容式传感器 初始电容：初始电容： 3、若被测介质充满两极板间，则、若被测介质充满两极板间，则h=d，此时，此时 测原油含水率测原油含水率 第4章电容式传感器 四、几种不同的电容式传感器的原理结构图四、几种不同的电容式传感器的原

8、理结构图 （a）和（）和（b）为变极距式）为变极距式 （c）、（）、（d）、（）、（e）和（）和（f）为变面积式）为变面积式 （g）和（）和（h）为变介电常数式）为变介电常数式 第4章电容式传感器 变极距型一般用来测量微小位移（变极距型一般用来测量微小位移（0.01 100 m）；）； 变面积型一般用于测量角位移变面积型一般用于测量角位移1100或较或较 大线位移；大线位移； 变介电常数型常用于物位测量及介质湿度、密变介电常数型常用于物位测量及介质湿度、密 度测量等。度测量等。 其他物理量须转换成电容器的其他物理量须转换成电容器的d、A或或的变化的变化 再进行测量。再进行测量。 总结：总结：

9、第4章电容式传感器 第二节第二节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 一、一、 电桥电桥 平衡状态平衡状态 Z1 Z1+Z 调幅调幅 调频调频 脉冲脉冲 交流交流 )( 4 3 2 1 Z Z Z Z 第4章电容式传感器 传感器阻抗相对变化率；传感器阻抗相对变化率； 桥臂比；桥臂比； 桥臂系数桥臂系数 实数实数 C C CC C CjCCjCjZ Z 1 )( 11 / 1 第4章电容式传感器 为最大值为最大值Km，而，而Km又随又随而变化：而变化： 当当=180时时 桥臂桥臂Z1 、 Z2 是相同性质元件；是相同性质元件； 桥臂桥臂Z1 、 Z2 相位相差相位相差 90； 当当=0

10、时，时，Km=0.25， 当当=90时，时，Km=0.5， Km=，输出电压，输出电压 趋于无穷大，趋于无穷大， 此时电桥发生谐振。此时电桥发生谐振。 ),( 1 afK 电桥性能特性曲线电桥性能特性曲线 a=1时，时， so UKU 第4章电容式传感器 当当=0时，则时，则=0。这就意味着当桥臂。这就意味着当桥臂Z1、Z2是相同性是相同性 质元件时，无论质元件时，无论a为任何值，输出电压为任何值，输出电压 与电源与电源 同相同相 位。位。 电桥性能特性曲线电桥性能特性曲线),( 2 af so UKU 1）当）当a=1时，无论时，无论为任何值，为任何值，始终为零，则输出与电源同相位；始终为零

11、，则输出与电源同相位； 2）当）当a=时，时，=m（最大值），并且（最大值），并且m =； 第4章电容式传感器 几种常用的交流电桥几种常用的交流电桥 （a） （c） （b） 图（图（a）：）： =0.25 图（图（c）：）： 图（图（b）：）： =0.5=90， a=1 =0, 第4章电容式传感器 二、变压器式电容电桥二、变压器式电容电桥 第4章电容式传感器 变极距型差动式平板电容器变极距型差动式平板电容器 ： 线性关系线性关系 0 2 1 d d oUU 第4章电容式传感器 三、运算法测试电路三、运算法测试电路 变极距型变极距型 优点：优点： 从原理上克服了从原理上克服了 变极距型电容传感器

12、变极距型电容传感器 的非线性。的非线性。 第4章电容式传感器 例：现有一只电容式位移传感器，其结构如下图（例：现有一只电容式位移传感器，其结构如下图（a）所示。已知）所示。已知 L=25mm，R6mm，r2mm。其中，圆柱。其中，圆柱C为内电极，圆筒为内电极，圆筒A、 B为两个外电极，为两个外电极，D为屏蔽套筒，构成一个固定电容为屏蔽套筒，构成一个固定电容 。 。 是随活动屏蔽套筒伸入位移量是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容而变的可变电容x。采用理想检测。采用理想检测 电路如图（电路如图（b）所示，其信号源电压有效值）所示，其信号源电压有效值i。问：（）。问：（） 在要求运放输出电压在

13、要求运放输出电压o与输入位移与输入位移x成正比时，标出成正比时，标出 和 和x在在 图（图（b）中应连接的位置；（）求该电容式传感器的灵敏度）中应连接的位置；（）求该电容式传感器的灵敏度k； （）求该测量变换系统输出电压灵敏度（）求该测量变换系统输出电压灵敏度v。（注：同心圆筒电。（注：同心圆筒电 容公式容公式 ） r R rL C ln 2 0 第4章电容式传感器 四、差动脉冲宽度调制电路四、差动脉冲宽度调制电路 利用电容器的充放电时间调制方波脉冲宽度。利用电容器的充放电时间调制方波脉冲宽度。 电路原理：电路原理： 第4章电容式传感器 脉冲宽度调制电路波形脉冲宽度调制电路波形 C1=C2 C

14、1C2 第4章电容式传感器 若若A端为高电平，端为高电平，B端为低电平端为低电平,则则 C1充电时间充电时间 ： 翻转时翻转时,设设 t=T1 U双稳态触发器输出高电平。双稳态触发器输出高电平。 同理，同理，C2充电时间：充电时间： 第4章电容式传感器 利用傅立叶级数可将利用傅立叶级数可将A、B端输出的波端输出的波UA、UB表示表示 为：为： 由于输出只取直流分量，故经过滤波后的输出中由于输出只取直流分量，故经过滤波后的输出中 只有直流分量，即只有直流分量，即 第4章电容式传感器 对差动电容传感器：对差动电容传感器： 变极距型变极距型 变面积型变面积型 1、差动式输出电压与被测位移（或面积变化

15、）线性；、差动式输出电压与被测位移（或面积变化）线性； 2、不需解调电路，只需低通滤波电路便可测得较大直流、不需解调电路，只需低通滤波电路便可测得较大直流 电压；电压； 3、不需载波；、不需载波； 4、调宽频率变化对输出无影响。、调宽频率变化对输出无影响。 电路特点：电路特点： 第4章电容式传感器 第三节第三节 电容式传感器的误差分析电容式传感器的误差分析 一、等效电路一、等效电路 理想电容传感器理想电容传感器 实际电容传感器实际电容传感器 C-传感器电容；传感器电容； Rp-并联损耗电阻并联损耗电阻 ； Rs-串联损耗电阻；串联损耗电阻； LS-传感器接线端之间的电流回路传感器接线端之间的电

16、流回路 的总电感；的总电感； CP-寄生电容。寄生电容。 第4章电容式传感器 其等效阻抗为其等效阻抗为 ： （Rp很大）很大） （j2=1） 等效电容为：等效电容为： 激励信号激励信号 的角频率。的角频率。 第4章电容式传感器 电路的谐振频率电路的谐振频率 当当 时，可视为时，可视为 Ce=C 此时电容传感器可用纯电容表示。此时电容传感器可用纯电容表示。 第4章电容式传感器 二、边缘效应二、边缘效应 r极板半径极板半径 h 极板厚度极板厚度 d 极距极距 h/d0.020.040.060.080.100.200.400.600.801.001.201.40 f(h/d)f(h/d)0.0980

17、.0980.1680.1680.230.230.2850.2850.3350.3350.5400.5400.8400.8401.0601.0601.2401.2401.3901.3901.5901.5901.6301.630 第4章电容式传感器 消除和减小边缘效应的影响：消除和减小边缘效应的影响： （1）增大初始电容，即增大极板面积，减小极板）增大初始电容，即增大极板面积，减小极板 间距；间距； （2）减小极板厚度；）减小极板厚度； （3）加装等势环。）加装等势环。 第4章电容式传感器 若考虑寄生电容若考虑寄生电容 ，即，即CA 差动式电容传感器差动式电容传感器 输出特性输出特性 三、寄生与分

18、布电容三、寄生与分布电容 第4章电容式传感器 驱动电缆法原理图驱动电缆法原理图 1：1放大器放大器 双层屏蔽电缆引出线双层屏蔽电缆引出线 引出线接放大器的输入端引出线接放大器的输入端 放大器输出端接电缆线内屏蔽线上放大器输出端接电缆线内屏蔽线上 电缆外屏蔽线接大地电缆外屏蔽线接大地 （一）驱动电缆法（一）驱动电缆法 第4章电容式传感器 （二）整体屏蔽法（二）整体屏蔽法 第4章电容式传感器 第四节第四节 电容式传感器的医学应用电容式传感器的医学应用 一、电容式压力传感器及血压测量一、电容式压力传感器及血压测量 测血压用的电容式传感器测血压用的电容式传感器 第4章电容式传感器 测量电路测量电路 输

19、出特性输出特性 第4章电容式传感器 二、电容式心音传感器二、电容式心音传感器 第4章电容式传感器 心音、心电图和心内压之间的对应关系心音、心电图和心内压之间的对应关系 第4章电容式传感器 心音测量系统心音测量系统 第4章电容式传感器 三、直流极化型电容式传感器三、直流极化型电容式传感器 电容式微音器电容式微音器 应用：记录心音、心尖搏动、胸壁运动以及动脉和挠动脉的脉动等。应用：记录心音、心尖搏动、胸壁运动以及动脉和挠动脉的脉动等。 第4章电容式传感器 两极板间的距离：两极板间的距离： 总的电容总的电容C ： 直流极化电路直流极化电路 )(CCCC 0 d d 0 r0 1 1 0d A 0 d

20、 ddd 0 第4章电容式传感器 (1)当当 时，时， 电容电荷电容电荷 输出电压的变化与位移变化成正比关系。输出电压的变化与位移变化成正比关系。 电流电流i i与速度与速度v成正比关系。成正比关系。 （2）当）当 时，时， 回路电流作为输出形式回路电流作为输出形式 ： vUi d UC dt dd d A sdt dCU dt CUd dt dq Srss 0 0 2 0 0 )()( 第4章电容式传感器 四、四、 电容式位置传感器及心电图测量电容式位置传感器及心电图测量 （一）电容式位置传感器（一）电容式位置传感器 第4章电容式传感器 （二）心电图的测试（二）心电图的测试 热笔式心电图机热笔式心电图机 笔式自动平衡心电笔式自动平衡心电 图机测试原理图图机测试原理图 第4章电容式传感器 五、电容测厚仪五、电容测厚仪 用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 第4章电容式传感器 六、电容式荷重传感器六、电容式荷重传感器 主要用于称重负载，如地磅秤。主要用于称重负载，如地磅秤。 第4章电容式传感器 七、差动电容式压差传感器七、差动电容式压差传感器 第4章电容式传感器 例例 置于某储存罐的电容式液位传感器由半径置于某储存罐的电容式液位