电容-第七章课件

应用：压力、差压、液位、位移、加速度、成分含量等原理：被测非电量转换为电容量的变化种类：变极距d、变面积S、变介质

ε

特点：非接触式测量，分辨率高、体积小、结构简单、灵敏度高，适合在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作第七章电容传感器ε

：电容极板间介质的介电常数；S：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板之间的距离2.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。当L=0时，传感器的初始电容当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为电容变化量与电介质移动量L呈线性关系4.变极距型电容传感器非线性关系若△d/d<<1时，则式（3.3.3）可简化为若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性初始电容变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)

右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。 图中：

1、2-内、外电极；

3-绝缘套；

4-流通孔。1）变面积式电容变换器：用来测角位移和线位移输入输出特性：灵敏度：理论线性度：2）变介电常数式电容变换器：

介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。3）变间隙式电容变换器，用来测线位移。输入输出关系具有严重非线性。

灵敏度：5）问题讨论7）电容传感器一些量的变化范围8）提高灵敏度和精度的措施9）测量电路电容传感器+光电传感器3.3.5电容式传感器测量电路

(1)电桥电路(2)运算放大器电路(3)脉宽调制电路(4)调频电路(5)双T型电桥电路(2)运算放大器式电路最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号运算放大器式电路原理图uC-ACx∑～u0由运算放大器工作原理可知结论：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A=，输入阻抗Zi=

因此仍然存在一定的非线性误差， 但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。

差动脉冲调宽电路原理图uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为式中

UA、UB──A点和B点的矩形脉冲的直流分量；

T1、T2──分别为C1和C2的充电时间；

U1──触发器输出的高电位。设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2

差动变极距型差动变面积型特性：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(4)调频电路当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，△c≠0，此时频率为具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UE+RRRULLEiC2C2U0RRLR±供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成故在负载RL上产生的电压为同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为电路的特点:①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；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。优点：

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 也不需要相敏检波与解调等 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3.3.3传感器的特点和设计要点

1.特点2.设计要点1、特点

优点: 1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）

2.结构简单、适应性强

3.动态响应好

4.可以实现非接触测量、具有平均效应动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小

可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性

其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电

系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。缺点：

1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的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流电源时，输出阻抗高达106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响

2、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、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“寄生电容”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(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度2.设计要点

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消除和减小边缘效应消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰尽可能采用差动式电容传感器低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能

选材、结构、加工工艺

电极：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）

电极支架：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

电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差(2)消除和减小边缘效应危害：灵敏度降低、产生非线性适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围(3)消除和减小寄生电容的影响，

防止和减少外界干扰（a）屏蔽和接地（b）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。（d）尽可能一点接地，避免多点接地(4)差动技术的运用

减小非线性误差 提高传感器灵敏度 减小寄生电容的影响 温度、湿度等环境因素的影响第八章光电式传感器光电式传感器工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。辐射源光学通路光电元件光电式传感器方框图光电效应？物理学中认为光是由分离的能团——光子组成波粒子能量：所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即8.1光电效应和光电器件8.1.1

光电管8.1.2光电倍增管8.1.3光敏电阻8.1.4光敏二极管和光敏晶体管8.1.5光电池8.1.6光电式传感器的应用8.1.1外光电效应（光电发射型）在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。如光电管、光电倍增管光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差8.1.2光电倍增管

在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射系数σ=二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn内光电效应（光电导型）在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等1.光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加光敏电阻的结构1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。2．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性

（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性（1）伏安特性

在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的

（4）响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。

光敏电阻的频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。

硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数:在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率温度对光谱特性影响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性8.1光电效应和光电器件8.1.1

光电管8.1.2光电倍增管8.1.3光敏电阻8.1.4光敏二极管和光敏晶体管8.1.5光电池8.1.6光电式传感器的应用8.1.4光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理2．基本特性1．工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的光敏二极管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个P-N结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。2．基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应（1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性

（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好

（4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应4.1光电效应和光电器件4.1.1

光电管4.1.2光电倍增管4.1.3光敏电阻4.1.4光敏二极管和光敏晶体管4.1.5光电池4.1.6光电式传感器的应用阻挡层光电效应（光生伏特效应）在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。

1.工作原理

2．基本特性1.工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的P-N结。当光照射到P-N结上时，便在P-N结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将P-N结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。2．基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性

（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的(2)光照特性不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽(3)频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度