电容式传感器dPPT课件

1、电容式传感器d4.1 工作原理、结构及特性工作原理、结构及特性4.2 应用中存在的问题及改进措施应用中存在的问题及改进措施4.3 测量电路测量电路4.4 电容式传感器及其应用电容式传感器及其应用 电容式传感器是将非电量的变化转换成电容式传感器是将非电量的变化转换成电容量电容量的变化。结构简单、分辨率高、可非接触测量，的变化。结构简单、分辨率高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣环境工作。并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣环境工作。 微机械结构集成化电容传感器将成为一种很微机械结构集成化电容传感器将成为一种很有前途的传感器。有前途的传感器。电容式传感器dAACr0 A 极板相对覆盖面积

2、；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。 A电容式传感器d上一页返 回下一页4.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器变极距变极距( (）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) 上一页返 回下一页电容式传感器d(非线性关系非线性关系) 若极距缩小若极距缩小 初始电容初始电容上一页上一页返返 回回下一页下一页000ACr000001CACCCr000

3、1CC则：电容式传感器d若若 / 0 1时，则上式按级数展开为时，则上式按级数展开为 00CC上一页上一页返返 回回下一页下一页灵敏度灵敏度S为为:20000ACCSr略去高次略去高次(非线性非线性)项，可得近似的线性关系：项，可得近似的线性关系：电容式传感器d 由上讨论可知：由上讨论可知： (1) 变极距型电容传感器只有在变极距型电容传感器只有在 / 0很小很小( 小测量范围小测量范围 10%)时，才有近似的线时，才有近似的线性输出；性输出； (2)灵敏度灵敏度 与与 初始极距的平方成反比，故初始极距的平方成反比，故可用减少可用减少0 的办法来提高灵敏度。的办法来提高灵敏度。考虑线性项和二次

4、项，则相对非线性误差为考虑线性项和二次项，则相对非线性误差为: 又由又由ef的表达式可见，的表达式可见， 0 的减小会导致非线性的减小会导致非线性误差增大；过小还可能引起电容器击穿或短路，为误差增大；过小还可能引起电容器击穿或短路，为此，极板间可采用高介电常数的材料此，极板间可采用高介电常数的材料( 云母、塑料膜云母、塑料膜等等)作介质。作介质。电容式传感器d 差动结构，动极板置于两定极板之差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，间。初始位置时， 1= 2= 0，两边初，两边初始电容相等。动极板向上有位移始电容相等。动极板向上有位移 时时，则电容总的相对变化量为，则电容总的相对变化量为:

5、略去高次项略去高次项,得得:此时此时,相对非线性误差为相对非线性误差为:电容式传感器d 当动极板相对于定极板平当动极板相对于定极板平移移l 时，其电容量为时，其电容量为呈线性关系呈线性关系 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容相对变化量为:灵敏度:电容式传感器d电容式角位移传感器电容式角位移传感器 0000dsCr00000)1 (CCdSCr当当=0时时 当当0时时传感器电容量传感器电容量C与角位移与角位移间呈线性关系间呈线性关系 上一页返 回下一页电容式传感器d)(20100021LLLbCCCrr当当L=0时，传感器的初始电容：时，传感器的初始电容： 0000000100bLbLCr当

6、被测电介质进入当被测电介质进入极板间极板间L深度后：深度后：02000) 1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L呈线性关系呈线性关系 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器ddDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容初始电容 电容与液位的关系为：电容与液位的关系为： 上一页返 回下一页电容式液位传感器电容式液位传感器电容式传感器d4.2 应用中存在的问题及其改进措施应用中存在的问题及其改进措施 4.2.1 等效电路等效电路 上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯上节对各种电容传感器的特

7、性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。RsCCPRpL电容式传感器d 图中图中 C为传感器电容，为传感器电容， Rp为低频损耗并联电阻为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗，它包含极板间漏电和介质损耗, Rs为高湿、高温、为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，

8、它包含导线、极板高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感。为电容器及引线电感。CP为寄生电容。可见，在实际应用中，特别在为寄生电容。可见，在实际应用中，特别在高频激高频激励时励时，尤需考虑，尤需考虑 L的存在，会使传感器有效电容的存在，会使传感器有效电容变化，引起传感器有效灵敏度改变：变化，引起传感器有效灵敏度改变： 在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。电缆时都必须对测量系统重新进行标定。电容式传感器d4.2.2 边缘效应边缘效应 以上分

9、析各种电容式传感器时还忽略了边缘效以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度应的影响。实际上当极板厚度h 与极距与极距 之比相对之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为板半径为r 的变极距型电容传感器，其电容值应按的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算下式计算 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影产生非线性。为了消除边缘效应的影 响，可以采用响，可以采用带有保护环的结构，如图所示。带有保护环的结构，如图所示。电容式传感器d边

10、边 缘缘 电电 场场均均匀匀电电场场33211、2 电极电极 3等位环等位环上一页上一页返返 回回下一页下一页32 保护环与定极板同心保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。克服边缘效应的影响。 为减小极板厚度，往为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。作为极板。电容式传感器d4.2.3 静电引力静电引力

11、 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。考虑因静电引力造成的测量误差。4.2.4 寄生电容寄生电容 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（量都很小（ 几皮法到几十皮法）几皮法到几十皮法） ，属

12、于小功率、高阻，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。，甚至会淹没有用信号而不能使用。电容式传感器d 消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。几种常用方法。键。几种常用方法。 1 驱动电缆法驱动电缆法整体屏蔽法整体屏蔽法2 3 采用组合式与集成技术采用组合式与集成技术电

13、容式传感器d4.2.5 温度影响温度影响1、温度对结构尺寸的影响、温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。产生很大的温度误差。 2、 温度对介质的影响温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质云母的介电常数温度系数近似为零；

14、而某些液体介质 ，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。如煤油的介电常数温度系数可达较大。如煤油的介电常数温度系数可达0.07 /；若环境温度变化若环境温度变化50 ，则将带来，则将带来 7的温度误差，的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。电容式传感器d4.3.1 耦合式电感电桥耦合式电感电桥4.3.2 双双T型电桥电路型电桥电路4.3.3 脉宽调制电路脉宽调制电路4.3.4 运算放大器电路运算放大器电路4.3.5 调频电路调频电路上一页返 回下一页电容式传感器d上一页上一页

15、返返 回回下一页下一页U0iC1iC2UfD1D2RRC1C2RL 激励电源为方波。一激励电源为方波。一个周期内，通过负载的电个周期内，通过负载的电流为两流为两电容器放电电流电容器放电电流之之差，若两电容不等则一周差，若两电容不等则一周期内负载电流不为零期内负载电流不为零电容式传感器d电容式传感器dl利用对传感器电容的充放电使电路输出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脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化l通过低通滤波器就能得到对应被测量变通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号化的直流信号 上一页返 回下一页电容式传感器d上一页返 回下一页QBQVD2VD

16、1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器电容式传感器d上一页返 回下一页电容式传感器duAB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 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。上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器dC1、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

17、发器的参考电压 设设R1=R2=R，则得，则得 UCCCCUr01212：上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 EUddddU12120EUSSSSU12210差动脉冲调宽电路能适用于任何差差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器动式电容式传感器 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 回回下一页下一页电容式传感器d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

18、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 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d：能克服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 上一页上一页返返 回回下一页下一页运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uiC- -ACxu0电容式传感器d由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 ixixuCCuCjCju)/(1)/(10dSCx/ ) (dSCuui 0 前提：假设放大器开环放大倍数前提：假设

19、放大器开环放大倍数A= ，输入阻抗，输入阻抗Zi= 实际仍然存在一定的非线性误差，实际仍然存在一定的非线性误差， 但一般但一般A和和Zi足够大，所以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d)(212101CCCCLLCfi上一页返 回下一页电容式传感器d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，)(21010CCCLfi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 ffCCCCLfi001)(21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

20、量级位移变化量易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d上一页返 回下一页 随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显用优点十分明显（1） 分辨力极高分辨力极高 ，能测量低达，能测量低达 10-7的电容值或的电容值或 0.01微米的绝对变化量和高达微米的绝对变化量和高达( C/C)=100200%的相对的相对变化量，因此尤其适合微信息检测；变化量，因此尤其适合微信息检测； (2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热动极质量小，

21、可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，和迟滞极小， 可获得高的静态精度和好的动态特性可获得高的静态精度和好的动态特性( 3）结构简单）结构简单 ,不含有机材料或磁性材料，对环境不含有机材料或磁性材料，对环境 除除高湿外高湿外 的适应性较强；的适应性较强； 过载能力强。过载能力强。电容式传感器dP2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 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. 测真空或微小绝对压力时测真空或微小绝对压力时需把膜片的一侧密需把

22、膜片的一侧密封并抽成高真空封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 为何种类型电容传感器？为何种类型电容传感器？上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d231B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A、B面为可动极板面为可动极板 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 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器da)a)测振幅测振幅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物被测物振动振动电容式电容式传感器传感器被测轴被测轴电容式电

23、容式传感器传感器 上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d电荷平衡式位移传感器电荷平衡式位移传感器 0RMMRCVCVRRMMCVCV VR为不变的等幅方波信号，为不变的等幅方波信号， VM与与VR反向幅反向幅值可变，其幅值与测头的位置成比例值可变，其幅值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已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用应用。上一页上一页返返 回回下一页下一页电容式传感器d 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套电容式传感器d 液位限位传感器与液液位限位传感

24、器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。电容式传感器d 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮电容式传感器d超限灯超限灯正常工作正常工