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1、,3.3 电容式传感器,3.3.1 电容式传感器的工作原理 3.3.2 电容式传感器主要性能 3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点 3.3.4 电容式传感器等效电路 3.3.5 电容式传感器测量电路 3.3.6 电容式传感器的应用 3.3.7 容栅式传感器,上一页,下一页,返 回,3.3.1 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,上一页,返 回,下一页,1. 工作原理及类型,S 极板相对覆盖面积； 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。,上一页,返 回,下一页
2、,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),上一页,返 回,下一页,2. 变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1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,上一页,返 回,下一页,3. 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,上一页,返 回,下一页,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,上一页,返 回,下一页,4. 变介电常数型电容式传感器
3、,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,上一页,返 回,下一页,例题,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,上一页,返 回,下一页,3.3.2 电容式传感器主要性能,1. 静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比 2. 非线性,上一页,返 回,下一页,变极距型，其静态灵敏度为,将上式展开成泰勒级数得,但过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm) 在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来 改善电容器耐压性能,差动结构也可提高灵敏度,上一页,返
4、回,下一页,平板式变面积型,b,a,a,b kg,减小 、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,上一页,返 回,下一页,2. 非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得, 取值不能大，否则将降低灵敏度,上一页,返 回,下一页,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗 作为电容式传感器输出量,被测量与 成线性关系,无需满足,上一页,返 回,下一页,3.3.3 传感器的特点和设计要点,1. 特 点 2. 设计要点,上一页,返 回,下一页,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、
5、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,上一页,返 回,下一页,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。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小，而引线电缆电容、电路的杂散电容以及传感器内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；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 。,上一页,返 回,下一页,2. 设计要点,(1). 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
6、 (2). 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 (4).尽可能采用差动式电容传感器,上一页,返 回,下一页,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L),解：,2r1,2r2,H,3.3.4 电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感； r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容 Cp为引线电
7、缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容 Rg是极间等效漏电阻 极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,上一页,返 回,下一页,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容C=C0+Cp， 等效电阻ReRg,上一页,返 回,下一页,A,B,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer,上一页,返 回,下一页,A,B,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由
8、kg变为ke， ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,上一页,返 回,下一页,3.3.5 电容式传感器测量电路,(1) 调频电路 (2) 运算放大器电路 (3) 双T型电桥电路 (4) 脉宽调制电路,上一页,返 回,下一页,(1) 调频电路,上一页,返 回,下一页,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，c0，此时频率为,具有较高的灵敏度，可测至0.01m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,上一页,下一页,返 回,(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
9、是固定电容 u0是输出电压信号,上一页,下一页,运算放大器式电路原理图,返 回,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。,上一页,下一页,返 回,(3)二极管双T型电路,上一页,下一页,电源为正半周 D1短路 D2开路， 电容C1被充电 影响不予考虑， 电容C2的电压 初始值为UE,返 回,若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路,上一页,下一页,返 回,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i
10、C2如下:,上一页,下一页,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成,返 回,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,上一页,下一页,返 回,电路的特点 :,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； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； 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； 适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。,上一页,下一页,返 回,(4). 脉宽调制电路,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 通过低通滤波器就能
11、得到对应被测量变化的直流信号,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,差动脉冲调宽电路原理图,返 回,上一页,下一页,返 回,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为,式中 UA、UBA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。,上一页,下一页,返 回,C1、C2的充电时间,式中 Ur触发器的参考电压,设R1=R2=R，则得,结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,上一页,下一页,返 回,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2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
12、并具有理论上的线性特性,上一页,下一页,返 回,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,上一页,下一页,返 回,例：现有一电容式位移传感器，如图A所示。其中园柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX。采用图B电路检测，信号源电压为USR。问：在要求运放输出电压USC随输入位移x成正比时，标出CF和CX在图B中所连的位置，为什么？,解：如图B所示，因为电容是CX可变面积的
13、电容传感器。,CX,CF,3.3.6 电容式传感器的应用,(1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器,上一页,返 回,下一页,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力 需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,上一页,返 回,下一页,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 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,电容式加速度传感器,上一页,返 回,下一页,a)测振幅,b)测轴回转精度和轴心偏摆,电容式位移传感器应用,上一页,返 回,下一页
14、,3.3.7 容栅式传感器,(1) 基本类型及工作原理 (2) 容栅传感器电极的结构形式 (3) 信号处理方式 (4) 容栅式传感器应用,上一页,返 回,下一页,(1) 基本类型及工作原理,长容栅 圆容栅,片状 柱状,上一页,下一页,返 回,长容栅,上一页,下一页,返 回,n动栅尺级片数 a , b栅极片长度和宽度 为动栅尺和定栅尺的间距 为它们之间介质的介电常数 W为反射电极的极距,上一页,下一页,返 回,2,4,角度,片状圆容栅,r2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径 每条栅极片对应的圆心角（rad）,上一页,下一页,返 回,柱状圆容栅,上一页,下一页,返 回,1 定子,2 转子,(2)
15、 容栅传感器电极的结构形式,（a）直电极反射式 （b）直电极透射式 （c）反射式L型电极,上一页,返 回,下一页,(a)直电极反射式,上一页,下一页,返 回,结构形式简单，使用方便， 移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大,(b)直电极透射式,上一页,下一页,返 回,测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难,(c)反射式L型电极,上一页,下一页,返 回,增大反射电极的面积，增加耦合的电容量， 提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性,(3) 信号处理方式,鉴幅式测量电路 系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用， 鉴相式测量电路 系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。,上一页,返 回,下一页,（a）鉴幅式测量系统,上一页,返 回,下一页,（b）鉴相式测量系统,上一页,返 回,下一页,式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值； 发射电极激励信号基波电压的频率。,设
