電容式傳感器_傳感器原理及應(yīng)用(免費(fèi))

1、武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 第4章 電容式傳感器 Capacitive Sensors 免費(fèi)免費(fèi)免費(fèi)免費(fèi)! 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 緒緒 論論 電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，是以各種類型的電容器作為傳感元件， 將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。 特點(diǎn)特點(diǎn)： （1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。 （2 2）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。）小的靜電引力和良好的動(dòng)態(tài)特性。 （3 3）本身發(fā)熱影

2、響小。）本身發(fā)熱影響小。 （4 4）可進(jìn)行非接觸測(cè)量。）可進(jìn)行非接觸測(cè)量。 應(yīng)用應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕 度和成分含量等測(cè)量之中。度和成分含量等測(cè)量之中。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的工作原理和特性 4.1.1 4.1.1 工作原理及類型工作原理及類型 電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容 器和測(cè)量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示

3、。器和測(cè)量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。 由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊 緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖示平行極板電容緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖示平行極板電容 器，電容量為器，電容量為 0rS S C dd + S r d _ 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 可見(jiàn)：在可見(jiàn)：在S、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可 使電容量使電容量C改變。也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)改變。也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)( (如位移、壓力、如位移、壓力、 液位等液位等) )的變化引起的變化引起S、d、三個(gè)參量中之

4、一發(fā)生變化，就可三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可 利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。據(jù)此，電容式傳感利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量。據(jù)此，電容式傳感 器可分為以下三大類：器可分為以下三大類： (1) (1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器； (2) (2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器； (3) (3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.1.24.1.2電容傳感器特性分析電容傳感器特性分析 1.1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 00 0 00 rS S

5、 C dd 設(shè)初始電容為：設(shè)初始電容為： 當(dāng)間隙當(dāng)間隙d d0 0減小減小dd時(shí)時(shí), ,則電容量增大則電容量增大C C，則：，則： 000 00 00000 rrr SSSdd CCCC dddddddd 電容的相對(duì)變化為：電容的相對(duì)變化為： 00 0 1 1 Cd d Cd d 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 23 00000 1. Cdddd Cdddd 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得：時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得： 0 /1d d 可見(jiàn)，電容可見(jiàn)，電容C C的相對(duì)變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。的相對(duì)變化與位移之間呈現(xiàn)

6、的是一種非線性關(guān)系。 在誤差允許范圍內(nèi)通過(guò)略去高次項(xiàng)得到其近似的線性關(guān)系：在誤差允許范圍內(nèi)通過(guò)略去高次項(xiàng)得到其近似的線性關(guān)系： 00 Cd Cd 0 0 /1C C K dd 電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為 靈敏度隨極板間靈敏度隨極板間 距的減小而增大距的減小而增大 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 如果只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則得非線如果只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則得非線 性誤差：性誤差： 2 0 0 0 (/) 100%/100% / L d d d d d d 由以上分析可知：變極距型電容式

7、傳由以上分析可知：變極距型電容式傳 感器只有在感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的很小時(shí)，才有近似的 線性輸出。線性輸出。 C d d d0 0 dd C1 1 C2 2 C1 1C2 2 如圖，極距變化相同值如圖，極距變化相同值 d所對(duì)應(yīng)的電容變所對(duì)應(yīng)的電容變 化量化量不同不同 非線性隨極板間距非線性隨極板間距 的減小而增大的減小而增大 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 為了提高靈敏度和減小非線性，為了提高靈敏度和減小非線性， 以及克服某些外界條件如電源以及克服某些外界條件如電源 電壓、環(huán)境溫度變化的影響，電壓、環(huán)境溫度變化的影響，

8、常采用差動(dòng)式的電容傳感器，常采用差動(dòng)式的電容傳感器， 其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。 工作時(shí)差動(dòng)電容器總電容變化為：工作時(shí)差動(dòng)電容器總電容變化為： 00 1202 000 0 1 2 1 SSd CCCC ddddd d d 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得：時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得： 0 /1d d 24 0000 21 Cddd Cddd 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 略去非線性高次項(xiàng)，得：略去非線性高次項(xiàng)，得： 00 2 Cd Cd 變極距差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度變極距差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度KK為為 0 00

9、 2C C K dd 變極距差動(dòng)電容傳感器的非線性誤差變極距差動(dòng)電容傳感器的非線性誤差 L近似為近似為 %100 d d %100 )d/d(2 )d/d(2 2 00 3 0 L 可見(jiàn)，電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低可見(jiàn)，電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低 了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時(shí)，差了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時(shí)，差 動(dòng)式電容傳感器還能減小靜電引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并有效動(dòng)式電容傳感器還能減小靜電引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并有效 的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)

10、院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 2.2.變面積的電容式傳感器變面積的電容式傳感器 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1）用于線位移測(cè)量的電容式傳感器）用于線位移測(cè)量的電容式傳感器 0 x b axb x CC dd 當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)后當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)后, ,極板相對(duì)有效面極板相對(duì)有效面 積發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電容值為：積發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電容值為： 00 x b xx CCCC da Cb k xd 靈敏度：靈敏度：

11、 靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感， 測(cè)量精度受到影響測(cè)量精度受到影響, ,而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小， 成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。 其電容計(jì)算式為：其電容計(jì)算式為： 2 ln(/) x C D d 0 222()2 ln(/)ln(/)ln(/)ln(/) LxLxx CCC D dD dD dD d 當(dāng)重疊長(zhǎng)度當(dāng)重疊長(zhǎng)度x x變化時(shí)

12、，電容量變化為：變化時(shí)，電容量變化為： 2 (/ ) C K xln D d 靈敏度為：靈敏度為： 可見(jiàn)，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變可見(jiàn)，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變 化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測(cè)量范圍更大。化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測(cè)量范圍更大。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （2 2）用于角位移測(cè)量的電容式傳感器）用于角位移測(cè)量的電容式傳感器 當(dāng)動(dòng)片有一角位移當(dāng)動(dòng)片有一角位移 時(shí)，兩極板間的覆蓋面積就時(shí)，兩極板間的覆蓋面積就 改變，從而改變了電容量。改變，

13、從而改變了電容量。 00 CCCC 0 0 0 () (1) S S CC d 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng) 角時(shí)，角時(shí)， 0 0 S C d 當(dāng)當(dāng) =0=0時(shí)，時(shí)， 0 CC K 靈敏度：靈敏度： 角位移式電容傳感器的輸出特角位移式電容傳感器的輸出特 性是線性的，靈敏度性是線性的，靈敏度K K為常數(shù)。為常數(shù)。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 3.3.變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電路電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電路 電容式液位傳感器電容式液位傳感器 圖示同軸圓柱形電容器的初始圖示同軸圓柱形電容器的初始

14、 電容為電容為: 0 0 21 2 () h C ln r r 1 21 2 () x h C ln r r 0 2 21 2() () x h h C ln r r 測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。 設(shè)設(shè)C C1 1為液體有效高度為液體有效高度h hx x形成的電容，形成的電容，C C2 2為空氣高度（為空氣高度（h-hh-hx x）形成的）形成的 電容，則：電容，則： 由于由于C C1 1和和C C2 2為并聯(lián)，所以總電容為為并聯(lián)，所以總電容為: : 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4

15、 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 000 21212121 0 00 0 22()22 () ()()()() () xxxx x hh hhh C ln r rln r rln r rln r r CCh h 可見(jiàn)，電容可見(jiàn)，電容C理論上與液面高度理論上與液面高度hx成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電 容容C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。 另一種測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電另一種測(cè)量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電 容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)電容器極容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)電容器極 板面積為板面積為S S，間隙為，間隙為a a，當(dāng)有一厚度，當(dāng)有一厚度 為為d d，相對(duì)

16、介電常數(shù)為，相對(duì)介電常數(shù)為 r r的固體介的固體介 質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)，質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)， 因此電容器的電容值為：因此電容器的電容值為： 0 00 1 rr S C addd ad SS 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1)1)若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ， 則有電容量的相對(duì)變化為則有電容量的相對(duì)變化為: : rrr 2 3 23 2333 1 1 1 r r r r rrrr rrrr C N C N NNNN 2 1 1/ r N add 3 1 1/ r N dad 其中

17、，其中， ，為靈敏度因子，隨間隙比，為靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)增大增大 為非線性因子，隨間隙比為非線性因子，隨間隙比d/(a-d)增大而減小。增大而減小。 而增大；而增大； 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （2 2）若傳感器保持）若傳感器保持 r r不變，改不變，改 變介質(zhì)厚度，則可用于測(cè)量介變介質(zhì)厚度，則可用于測(cè)量介 質(zhì)厚度變化，此時(shí)質(zhì)厚度變化，此時(shí) 4 4 2 444 1 1 1 Cd N dCd N d ddd NNN ddd 其中，其中， 4 1 1/ r r N add ，為靈敏度因子和非線性因子。，為靈敏度因子和

18、非線性因子。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （3 3）若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則）若被測(cè)介質(zhì)充滿兩極板間，則d d=a=a，此時(shí)初始電容為，此時(shí)初始電容為 0 0 r S C d ，則，則， , ,即即 rrr r CCCC 0 0 00 rr r r SS CCCC dd 若若 0r S C d 可見(jiàn)，可見(jiàn)， 與與 r r 成線性關(guān)系。測(cè)量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況， 成線性關(guān)系。測(cè)量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況， 如測(cè)原油含水率。如測(cè)原油含水率。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式

19、傳感器電容式傳感器 4.2 4.2 電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn) (1)(1)溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺 寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械 特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素( (因因本身發(fā)熱本身發(fā)熱 極小極小) ) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電 感式傳

20、感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。 1.1.電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn) (2)(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng) 磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很 大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作，大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作， 能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶

21、磁帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以 做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。 4.2.1 4.2.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （3 3）靜電引力?。╈o電引力小 電容傳感器兩極板間存在著靜電場(chǎng)，因此極板上作用著靜電引電容傳感器兩極板間存在著靜電場(chǎng)，因此極板上作用著靜電引 力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、 極間距離有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，這種靜電引力是

22、很小的，因此只有對(duì)推極間距離有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，這種靜電引力是很小的，因此只有對(duì)推 動(dòng)力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。動(dòng)力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。 (4)(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)10-10- 5N5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很 小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短， 能在幾能在幾MHzMHz的頻率下工

23、作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)又由于其介質(zhì) 損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于 測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (5) (5)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下, ,電容傳感器可以電容傳感器可以 完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)完成測(cè)量

24、任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí), ,電容式傳感器具有平均效電容式傳感器具有平均效 應(yīng)應(yīng), ,可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響?？梢詼p小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力 極小，因此所需極小，因此所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量，所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量， 例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很 靈敏，分辨力非常高，能感受靈敏，分辨力非常高，能感受0.0010.001m m甚至更小的位移。甚至更

25、小的位移。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (1) (1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十 到幾百到幾百pFpF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的 交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)10106 610108 8。因此傳感器負(fù)載能力差，。因此傳感器負(fù)載能力差， 易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)

26、象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必 須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。容抗大還要求傳須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。容抗大還要求傳 感器絕緣部分的電阻值極高（幾十感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MM以上），否則絕緣部分將以上），否則絕緣部分將 作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要 特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)絕緣性能的影響。高頻特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)絕緣性能的影響。高頻 供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜，供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜， 且

27、寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。 2.2.電容式傳感器的缺點(diǎn)電容式傳感器的缺點(diǎn) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (3) (3)輸出特性非線性輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié) 構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了 電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的

28、附 加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使 電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正 逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方 面大有發(fā)展前途的傳感器。面大有發(fā)展前途的傳感器。 (2) (2)寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線傳感器的初始電容量

29、很小，而其引線電纜電容電纜電容(l(l2m2m導(dǎo)線可達(dá)導(dǎo)線可達(dá) 800pF)800pF)、測(cè)量電路的、測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成 的電容的電容等等“寄生電容寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這 些電容些電容( (如電纜電容如電纜電容) )常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定， 影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致 使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求使傳感器無(wú)法工作。

30、因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.2.2 4.2.2 電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正 確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開(kāi)的。在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò)確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開(kāi)的。在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò) 程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有 低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。低成本、高精度、高

31、分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。 1. 1.消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差也增加。邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，使工作不穩(wěn)，非線性誤差也增加。 為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的為了消除邊緣效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的 結(jié)構(gòu)，如圖所示。結(jié)構(gòu)，如圖所示。 （a a）消除邊沿效應(yīng)原理圖）消除邊沿效應(yīng)原理圖 （b b）帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu)）帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(jié)構(gòu) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 2. 2.提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能提高

32、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的絕緣性能 減小減小環(huán)境溫度、濕度環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差等變化所產(chǎn)生的誤差, ,以保證絕緣材料的以保證絕緣材料的 絕緣性能絕緣性能, ,溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及 某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變, ,從而改變傳感器的電容量從而改變傳感器的電容量, ,產(chǎn)生溫產(chǎn)生溫 度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必 須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣

33、材料具有高的絕緣性能。材料具有高的絕緣性能。 電容式傳感器的電容式傳感器的金屬電極的材料金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金 為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工 藝，這樣電極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。藝，這樣電極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。 傳感器內(nèi)傳感器內(nèi)電極表面電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防 潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代 替密封件起保

34、護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可 減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 傳感器內(nèi)，傳感器內(nèi)，電極的支架電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn) 定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有 高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、

35、云母、人 造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高 于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良 好的絕緣性能，可以考慮選用。好的絕緣性能，可以考慮選用。 盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)電介質(zhì) （也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些 液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們液體如硅油

36、、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們 的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路 加以補(bǔ)償，但無(wú)法完全消除。加以補(bǔ)償，但無(wú)法完全消除。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 在可能的情況下在可能的情況下, ,傳感器內(nèi)盡量采用傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), ,這樣可以通過(guò)這樣可以通過(guò) 某些類型的測(cè)量電路某些類型的測(cè)量電路( (如電橋如電橋) )來(lái)減小溫度等誤差。來(lái)減小溫度等誤差。 選用選用50kHz50kHz至幾至幾MHzMHz作為電容傳感器的作

37、為電容傳感器的電源頻率電源頻率，以降低對(duì)傳感，以降低對(duì)傳感 器絕緣部分的絕緣要求。器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的傳感器內(nèi)所有的零件零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要 密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳 感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形。感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形。 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它 的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它。可采的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須

38、消除和減小它?？刹?用方法：用方法： 3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距采用減小極片或極筒間的間距( (平板式間距為平板式間距為0.20.5mm，圓筒，圓筒 式間距為式間距為0.15mm) )，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值， 但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。 一般電容值變

39、化在一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在 10-61范圍范圍 內(nèi)。內(nèi)。 （1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 （2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；）注意傳感器的接地和屏蔽； （3 3）集成化）集成化 （4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) （5 5）采用運(yùn)算放大器法；）采用運(yùn)算放大器法； （6 6）整體屏蔽法）整體屏蔽法 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （2 2）注意傳感器的接地和屏蔽）注意傳感器的接地和屏蔽 圖為采用接地屏蔽

40、的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極 筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)。筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)?？蓜?dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼可動(dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼 （良導(dǎo)體）同為地，（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼 之間的電容值將保持不變，之間的電容值將保持不變， 從而消除了由此產(chǎn)生的從而消除了由此產(chǎn)生的 虛假信號(hào)。虛假信號(hào)。 引線電纜也必須屏引線電纜也必須屏 蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。 為減小電纜電容的影響，為減小電纜電容的影響， 應(yīng)盡可能使用短而粗的應(yīng)盡可能使用短而粗的 電纜線，縮短

41、傳感器至電纜線，縮短傳感器至 電路前置級(jí)的距離。電路前置級(jí)的距離。 絕緣體絕緣體屏蔽殼屏蔽殼固定極筒固定極筒 可動(dòng)極筒可動(dòng)極筒 連桿連桿 導(dǎo)桿導(dǎo)桿 接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因( (如環(huán)境溫度如環(huán)境溫度 較高較高) )，測(cè)量電路只能與傳感器分開(kāi)時(shí)，可采用，測(cè)量電路只能與傳感器分開(kāi)時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)

42、電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技技 術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其，其內(nèi)屏內(nèi)屏 蔽層蔽層與信號(hào)傳輸線與信號(hào)傳輸線( (即電纜芯線即電纜芯線) )通過(guò)通過(guò)1:11:1放大器成為等電位，從放大器成為等電位，從 而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器 輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種。采用這種 技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。 （3

43、3）集成化）集成化 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去 傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變固定不變， 使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、 低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 外屏蔽層外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。

44、內(nèi)外屏 蔽層之間的電容是蔽層之間的電容是1:11:1放大器的負(fù)載。放大器的負(fù)載。1:11:1放大器是一個(gè)輸入阻抗放大器是一個(gè)輸入阻抗 要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(1(準(zhǔn)確度要求達(dá)準(zhǔn)確度要求達(dá)1/100001/10000) ) 的同相的同相( (要求相移為零要求相移為零) )放大器。因此放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)技術(shù)對(duì)1:11:1放放 大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于小于 1pF1pF時(shí)，也能正常工作。時(shí)，也能正常工作。 1：1 測(cè)量測(cè)量 電路電路 前置級(jí)前置級(jí) 外

45、屏蔽層外屏蔽層 內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層 芯線芯線 傳感器傳感器 “驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理圖技術(shù)原理圖 當(dāng)電容式傳感器的當(dāng)電容式傳感器的 初始電容值很大初始電容值很大( (幾百幾百 F F) )時(shí)，只要選擇適當(dāng)時(shí)，只要選擇適當(dāng) 的接地點(diǎn)仍可采用一的接地點(diǎn)仍可采用一 般的同軸屏蔽電纜，般的同軸屏蔽電纜， 電纜可以長(zhǎng)達(dá)電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m10m，儀，儀 器仍能正常工作。器仍能正常工作。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （5 5）整體屏蔽法）整體屏蔽法 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用

46、同 一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和 防止外界的干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整防止外界的干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整 體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z Z3 3和和Z Z4 4中間，中間， 使電纜芯線與其屏蔽使電纜芯線與其屏蔽 層之間的寄生電容層之間的寄生電容C CP1 P1和 和 C CP2 P2分別與 分別與Z Z3 3和和Z Z4 4相并聯(lián)相并聯(lián) 。如果。如果Z Z3 3和和Z Z4 4比比C CP1 P1和 和

47、C CP2 P2 的容抗小得多，則寄生的容抗小得多，則寄生 電容電容C CP1 P1和 和C CP2 P2對(duì)電橋平衡 對(duì)電橋平衡 狀態(tài)的影響就很小。狀態(tài)的影響就很小。 交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng) C1 C2 CP1 CP2 Z3 Z4 -A 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時(shí)最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時(shí)Z Z3 3和和Z Z4 4是具有中心是具有中心 抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)Z Z3 3和和Z Z4 4的電流大小基的電流大小

48、基 本相等但方向相反。因本相等但方向相反。因Z Z3 3和和Z Z4 4在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，所以線圈中的在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，所以線圈中的 合成磁通近于零，合成磁通近于零，Z Z3 3和和Z Z4 4僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都 很小。結(jié)果寄生電容很小。結(jié)果寄生電容C Cpl pl和 和C Cp2 p2對(duì) 對(duì)Z Z3 3和和Z Z4 4的分路作用即可被削弱到很的分路作用即可被削弱到很 低的程度而不致影響交流電橋的平衡。低的程度而不致影響交流電橋的平衡。 還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電 容

49、傳感器兩電容容傳感器兩電容C C1 1和和C C2 2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場(chǎng)的干之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場(chǎng)的干 擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)， 不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)10m10m以上時(shí)仍能測(cè)出以上時(shí)仍能測(cè)出 1pF1pF 的電容。的電容。 電容式傳感器的原始電容值較大（幾百電容式傳感器的原始電容值較大（幾百pFpF）時(shí)，只要選擇適）時(shí)，只要選擇適 當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜長(zhǎng)達(dá)當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜長(zhǎng)達(dá)10m10m時(shí)

50、，傳時(shí)，傳 感器也能正常工作。感器也能正常工作。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4 4防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾 當(dāng)外界干擾當(dāng)外界干擾( (如電磁場(chǎng)如電磁場(chǎng)) )在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信 號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀 器無(wú)法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一器無(wú)法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一 種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來(lái)誤差和故障。種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來(lái)

51、誤差和故障。 u屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)等屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)等 等。等。 u增加原始電容量，降低容抗。增加原始電容量，降低容抗。 u導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列， 若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。 u盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰”M可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰?制線。制線。 u采用差動(dòng)式電容傳感器，采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小非線

52、性誤差，提高傳感器靈敏度， 減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。 防止和減小干擾的措施歸納為：防止和減小干擾的措施歸納為： 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.34.3電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖 中，中，L為包括引線電纜的電感和電容式傳感為包括引線電纜的電感和電容式傳感 器本身的電感；器本身的電感；r包括引線電阻、極板電阻和包括引線電阻、極板電阻和 金屬支架電阻；金屬支架電阻；Rg是極間等效漏電阻，包含是

53、極間等效漏電阻，包含 極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界 間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；C0為傳感器本身為傳感器本身 的電容；的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極為引線電纜、所接測(cè)量電路及極 板與外界所形成的總寄生電容。板與外界所形成的總寄生電容。 電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高， 故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為 11 C e Zj L j Cj C 式中，式中，C C= =C CP P

54、+ +C C0 0 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 2 1 e C C LC 則等效電容為則等效電容為 2 1 1 e e CC CCLC 實(shí)際電容相對(duì)變化為實(shí)際電容相對(duì)變化為 22 /1 11 ee e CCC CK K ddLCLC 因此實(shí)際的靈敏度為因此實(shí)際的靈敏度為 可見(jiàn)電容傳感器的等效靈敏度可見(jiàn)電容傳感器的等效靈敏度K Ke e與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感L L有關(guān)有關(guān) ，且隨，且隨變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定變化而變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用前必須要進(jìn)行標(biāo)定 ，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差。，否則將會(huì)引入測(cè)量誤差

55、。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.44.4電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路 4.4.1 4.4.1 調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 0 10 1 2() i fff L CCCC 調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m0.01m級(jí)位移變化級(jí)位移變化 量，易

56、于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。量，易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。 當(dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，頻率變?yōu)楫?dāng)電容發(fā)生變化時(shí)，頻率變?yōu)?0 10 1 2() i f L CCC 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí), ,C C=0=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f f0 0，即，即: : 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.4.2 4.4.2 交流電橋測(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路 變壓器電橋具有使用元件最少，橋路內(nèi)變壓器電橋具有使用元件最少，橋路內(nèi) 阻最小的特點(diǎn)。電橋輸出電壓為阻最小的特點(diǎn)。電橋輸

57、出電壓為: 1112 0 1212120 2 1 22222 xxxx xxxxxx CCCCEEEEEC U CCCCCCC 0 0 2 Ed U d 0 U 若傳感器為變極距式差動(dòng)電容傳感器，則電橋輸出為：若傳感器為變極距式差動(dòng)電容傳感器，則電橋輸出為： 經(jīng)放大、相敏檢波和濾波后輸出直流電壓經(jīng)放大、相敏檢波和濾波后輸出直流電壓U USC SC大小與位移成 大小與位移成 線性關(guān)系，其正負(fù)極性反映位移的方向。線性關(guān)系，其正負(fù)極性反映位移的方向。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 0 0 0 0 0 ,0 : 1 1 a i x x x

58、UI UjI C UjI C II 由 0 0 0 0 ; i x x i C UU C S C d C UUd S 解 得 : 而代 入 上 式 得 : Cx C0 Ix ui a I0 b -K u0 4.4.34.4.3運(yùn)算放大器式測(cè)量電路運(yùn)算放大器式測(cè)量電路 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.4.44.4.4二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋 當(dāng)當(dāng)UE為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)導(dǎo) 通、通、VD2截止，于是電容截止，于是電容C1充電充電; ; 在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上上

59、的電荷通過(guò)電阻的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL 放電，放電， 流過(guò)流過(guò)RL的電流為的電流為I1。UE在在 負(fù)半周內(nèi)，負(fù)半周內(nèi)，D2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D1截止，則截止，則 電容電容C2充電，在隨后出現(xiàn)正半周充電，在隨后出現(xiàn)正半周 時(shí)，時(shí)，C2通過(guò)電阻通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL 放電，流過(guò)放電，流過(guò)RL的電流為的電流為I2。根據(jù)。根據(jù) 上面所給的條件，則電流上面所給的條件，則電流I1 =I2， 且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò) RL的平均電流為零。的平均電流為零。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 若將二

60、極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路可等效成若將二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路可等效成 一階電路一階電路 當(dāng)供電電壓是幅值為當(dāng)供電電壓是幅值為UE、 周期為周期為T(mén)、占空比為占空比為50%的方的方 波，可直接得到流過(guò)電容波，可直接得到流過(guò)電容C2的的 電流電流iC2： 2 2 1() exp ()() LL CE LLLL RR Rt iU R RRR RR RRR R C 正半周電流正半周電流iC2的平均值的平均值IC2可以寫(xiě)成：可以寫(xiě)成： 2 2222 00 2111 T L CCCE L RR Ii dti dtU C TTT RR 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院