第5章 電容式傳感器

1、 概述概述 概述概述 電容式接近開關電容式接近開關 電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器 電容式變送器電容式變送器 差壓傳感器 各種電容式傳感器各種電容式傳感器 概述概述 電容式傳感器典型應用電容式傳感器典型應用 硅微電容式傳感器硅微電容式傳感器 測量管道液位高度測量管道液位高度 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 v 電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化，電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化， 電容器電容器 C C 可以通過改變可以通過改變 S S 面積，面積，稱變面積型傳感器稱變面積型傳感器 距離，距離，稱變極距型傳感器稱變極距型傳感器 介質，介質，稱變介

2、質型傳感器稱變介質型傳感器 0 rs s C 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變極距型傳感器變極距型傳感器 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變面積型傳感器變面積型傳感器 5.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 變介質型傳感器變介質型傳感器 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0rs s C 0 0 s C 初始電容初始電容 0 0 CCC 當當 減小減小 時時 電容電容 C C 增加增加 C C0 C CC 當當 時，用泰勒級數展開時，用泰勒級數展開 0 1 23 00000 1()

3、() C C 0 0 0 1 C C 電容相對變化電容相對變化 0 0 0 1 Cs C 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 忽略高次項忽略高次項 00 1C C 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0 C C K v 傳感器靈敏度傳感器靈敏度 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 0 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（ ） 2 10 00 1()CC 2 20 00 1()CC 上靜片上靜片 下靜片下靜片 動片動片 5.2 電容傳

4、感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（ ） 電容的相對變化量電容的相對變化量 24 0000 21()() C C 00 2 C C 3 120 00 2()CCCC 電容的總的變化量電容的總的變化量 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1 變極距型（變極距型（） 結論：結論： 差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍，差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍， 非線性誤差減?。ǘ喑朔蔷€性誤差減小（多乘 因子）。因子）。 0 / 0 0 1 2 C C K 傳感器（差動式）靈敏度傳感器（差動式）靈敏度 2 0 ()100% L 相對非線性誤差為相對非線性誤差

5、為 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 2 2 變面積型（變面積型（S S） 平板電容：當動極板移動平板電容：當動極板移動X X后兩極板間電容量為：后兩極板間電容量為： 000 ()b axbx CCxCC a 0 ab C 0 Cx Ca 初始電容初始電容 電容的相對變化量電容的相對變化量 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 2 2 變面積型（變面積型（S S） 結論：結論： 變面積式電容傳感器靈敏度變面積式電容傳感器靈敏度K K為常數；為常數； 輸出特性為線性；輸出特性為線性； 適合大位移測量。適合大位移測量。 v 平板變面積型電容傳感器靈敏度平板變面積型電容傳感器靈敏

6、度 Cb K X 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數式（變介電常數式（） 當某種介質在兩固定極板之間運動時，當某種介質在兩固定極板之間運動時， 電容量與介質參數之間的關系為：電容量與介質參數之間的關系為： 0 r s C d d r 變介電常數式電容傳感器分幾種情況：變介電常數式電容傳感器分幾種情況： 測介電常數測介電常數 ； 測厚度測厚度d d d 動片動片 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數式（變介電常數式（ ） d d為運動介質的厚度，為運動介質的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變 可作為介電常數的測試儀器?？勺鳛榻殡姵?/p>

7、的測試儀器。 0r 0 () rr s C d d 0 1 (1) r Cd C 介電常數介電常數 保持不變，保持不變，d d改變，可作為測厚儀器。改變，可作為測厚儀器。 5.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 3 3 變介電常數式（變介電常數式（ ） 測液位高度測液位高度 （根據液體容器的形狀計算）（根據液體容器的形狀計算） 5.3 5.3 測量電路測量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示 記錄，必須將電容變化記錄，必須將電容變化轉換為轉換為電流、電壓的變化。電流、電壓的變化。

8、電容傳感器的等效電路包括電容傳感器的等效電路包括: : 傳輸線的電感傳輸線的電感L L0 0、 、電阻 電阻R R（小）（?。? ; 傳感器電容傳感器電容C C0 0 ， ，A A、B B兩端分布電容兩端分布電容CpCp，極板等效漏，極板等效漏 電阻電阻RgRg。 5.3 5.3 測量電路測量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 驅動電纜技術：提高電容傳感器的穩(wěn)定性，驅動電纜技術：提高電容傳感器的穩(wěn)定性， 克服寄生電容耦合，克服寄生電容耦合， n原理是：原理是： 連接電纜采用雙層屏蔽連接電纜采用雙層屏蔽 內屏蔽與被屏蔽的導線內屏蔽與被屏蔽的導線 的電位相同。從而消除的電位相同

9、。從而消除 引線與內屏蔽之間的電引線與內屏蔽之間的電 容。容。 5.3 5.3 測量電路測量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 驅動電纜技術是一種驅動電纜技術是一種 等電位屏蔽法，（跟隨等電位屏蔽法，（跟隨 器）使傳輸電纜與內屏器）使傳輸電纜與內屏 蔽層等電位，消除芯線蔽層等電位，消除芯線 對內層屏蔽層的容性漏對內層屏蔽層的容性漏 電，從而消除寄生電容電，從而消除寄生電容 的影響。的影響。 運算放大器驅動法運算放大器驅動法 5.3 5.3 測量電路測量電路 2.2.電橋電路電橋電路 電容轉換元件組成的變壓器式交流電橋測量系統(tǒng)。電容轉換元件組成的變壓器式交流電橋測量系統(tǒng)。 單

10、臂時，傳感器單臂時，傳感器C C鄰臂接一個固定電容相匹配；鄰臂接一個固定電容相匹配； 差動式傳感器差動式傳感器 是兩個臂。是兩個臂。 12 ,C C 12 CC 1 0 s C 2 0 s C 極板在中間位置時極板在中間位置時 5.3 5.3 測量電路測量電路 2.2.電橋電路電橋電路 0 0 2 E U v 輸出與位移成理想線性關系輸出與位移成理想線性關系 12 0 21 2 ZZE U ZZ 12 0 21 2 CCE U CC 1 1 1 Z jc 交流電橋的輸出電壓為：交流電橋的輸出電壓為： 5.3 5.3 測量電路測量電路 2.2.電橋電路電橋電路 交流電橋的多種形式交流電橋的多種形

11、式 5.3 5.3 測量電路測量電路 3. 3. 二極管雙二極管雙T T型電路型電路 VE VE高頻對稱方波電源，高頻對稱方波電源， D1D1、D2D2特性相同二極管特性相同二極管 C1C1、C2C2傳感器差動電容傳感器差動電容 R R固定電阻，固定電阻，R RL L負載。負載。 一個周期內一個周期內R RL L上的平上的平 均值電壓：均值電壓： 12 2 (2) () () L RL LE L R RR UR Uf cc RR 5.3 5.3 測量電路測量電路 3. 3. 二極管雙二極管雙T T型電路型電路 雙雙T T型電路型電路工作原理分析工作原理分析 正半周正半周D1D1導通導通D2D2

12、截止截止C1C1充電；充電； 負半周負半周D1D1截止截止D2D2導通導通C2C2充電；充電； v 一個周期內負載一個周期內負載R RL L上輸出上輸出 電壓電壓U URLRL與電源電壓與電源電壓V VE E幅值、幅值、 頻率頻率f f有關有關; ;與電容的差值與電容的差值 (C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 5.3 5.3 測量電路測量電路 4 4差動脈沖調寬電路差動脈沖調寬電路 波形圖波形圖 電路原理圖電路原理圖 電路分析：電路分析： 1212 0111 121212 AB TTTT UUUUUU TTTTTT 5.3 5.3 測量電路測量電路 4 4差動脈沖調寬電路差動脈沖調寬電路

13、 電路組成：電路組成： A1A1、A2A2比較器；比較器； 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； VD1VD1、VD2VD2與電阻；與電阻； 組成充放電回路；組成充放電回路；UfUf參考直參考直 流電壓；流電壓； 雙穩(wěn)態(tài)作輸出；雙穩(wěn)態(tài)作輸出； 電容電容C1C1、C2C2為傳感器差動電容。為傳感器差動電容。 5.3 5.3 測量電路測量電路 5 5運算放大器式電路運算放大器式電路 Cx Cx傳感器電容傳感器電容, , Co Co固定電容固定電容 0 x s C 0 0 0 SC I UI X j c 0 x xC x I UI X j c 輸入端輸入端 輸出端輸出端 設設K為理想運放為理想運放 5.3

14、5.3 測量電路測量電路 5 5運算放大器式電路運算放大器式電路 u對于單極板平板電容器傳感器運放輸出可以為：對于單極板平板電容器傳感器運放輸出可以為： 0 0 0 S C UU s 5.3 5.3 測量電路測量電路 5 5調頻電路調頻電路 諧諧 振振 曲曲 線線 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 1.1.電容式料位計電容式料位計 用于水泥、化工、罐裝用于水泥、化工、罐裝 等傳感器靜電容：等傳感器靜電容： 00 22 () lnln S X h Ch DD dd 10 CCC 電容測深度、角度電容測深度、角度 動畫演示動畫演示 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例

15、電容式傳感器的應用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 結構：結構： 測量膜片（金屬彈性膜片）測量膜片（金屬彈性膜片） 動片；動片； 兩個玻璃球面上鍍有金屬兩個玻璃球面上鍍有金屬 定片；定片； 膜片兩側左右兩定中充滿硅油。膜片兩側左右兩定中充滿硅油。 工作過程：工作過程： 當兩室分別承受低壓（當兩室分別承受低壓（PLPL） 和高壓（和高壓（PHPH）時，硅油能將）時，硅油能將 壓差壓差 傳遞到傳遞到 測量膜片，測量膜片， HL PPP 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 當當PH=PLPH=PL時，膜片處于中間位置，時，

16、膜片處于中間位置，C1=C2C1=C2； 當有差壓作用時，測量膜片產生形變：當有差壓作用時，測量膜片產生形變： PH PLPH PL時，膜片時，膜片PLPL向彎曲，向彎曲，C1C2C1C2，；，； PH PLPH C2C1C2； 將這種電容變化通過電路轉換為電壓變化將這種電容變化通過電路轉換為電壓變化 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容傳感器盒膜結構片電容傳感器盒膜結構片 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 3 3電容測厚儀電容測厚儀 電容測厚儀用于測量金電容測厚儀用于測量金 屬帶材在軋制過程中的

17、厚屬帶材在軋制過程中的厚 度變化。度變化。 帶材是電容的動極板，帶材是電容的動極板， 總電容總電容C1+C2C1+C2作為橋臂。作為橋臂。 帶 材 只 是 上 下 波 動 時帶 材 只 是 上 下 波 動 時 Cx=C1+C2Cx=C1+C2總的電容量不變；總的電容量不變； 帶材的厚度變化使電容帶材的厚度變化使電容CxCx 變化。變化。 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 4 4電容測位移電容測位移 5.4 5.4 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 5.5.力平衡式加速度傳感器力平衡式加速度傳感器 力平衡式傳感器是先將被測量轉換成力或力力平衡式傳感器是先將被測量轉換成力或力 矩然后用反饋力與它平衡的閉環(huán)傳感器，