第五章 電容式ppt課件

1、第五章第五章 電容式傳感器電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。小功率、高阻抗時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。小功率、高阻抗;本身發(fā)熱影響本身發(fā)熱影響小。小。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度

2、和成分含應(yīng)用：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。量等測(cè)量之中。 電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。Q Q用帶來(lái)不便。用帶來(lái)不便。電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān)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5.1 5.1 工作原理與結(jié)構(gòu)形式工作原理與結(jié)構(gòu)形式（一工作原理（一工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其

3、電容C C為為 SS極板相對(duì)覆蓋面積；極板相對(duì)覆蓋面積； dd極板間距離；極板間距離；rr相對(duì)介電常數(shù)；相對(duì)介電常數(shù)；0 0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 0 8.85pF/m8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。d d、S S和和rr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容改變了電容C0C0、d d或或S S的變化可以反映線位的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；加速度等的變化；rr的變化則可反映液面的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。高度、材料厚度等的

4、變化。 SddSdSCr0 3變介電常數(shù)變介電常數(shù)(r)型型(a) 單組式平板形厚度傳感器單組式平板形厚度傳感器dx1CBld2d12xCA2r22r1hhx1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為d2變極距型電容傳感器1 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。CC0C- 特性曲線dC0極距為時(shí)的初始電容量。 dddC

5、ddddSdSddSC01000011 ddCddSCCC1000021 ddCddSCCCdddddd0201,021ddd00 dSCC1 1C2 2時(shí)，當(dāng)1/0dd.13020001ddddddCC.13020002ddddddCC）（83 .22300021ddddCCCC）（123 200dCdCK）（113 %100%10020030ddddddr）（103 200ddCC）（）（）（93 12402000 ddddddCC2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 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。而圓

6、柱形變化特別敏感，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，成為實(shí)際中結(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)，其中線位移單組式的電容量最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為ll外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r2r2、r1 r1 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)ll時(shí)，電容變化量時(shí)，電容變化量CC為為)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2這類傳感器具有良好的線性,大多用來(lái)檢

7、測(cè)位移等參數(shù)。 3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為 dx厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxdddabCn若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，

8、傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC400/)(/ )(dlabdddblCxxxx a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ；:兩固定極板間的距離；x、0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板形lxn若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 液位傳感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見(jiàn)，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。 2 r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK（三）（三） 電容式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路電容式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路

9、1、 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖器的非線性。其原理如圖將將Cx = 代入上式得代入上式得 -AuoCCxu運(yùn)算放大器式 電路原理圖負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10dS / )(dSuCu0UCr1C（a）RRU SCCr1R（b）RCr2U SCU特點(diǎn)：特點(diǎn)

10、：高頻交流正弦波供電；高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；施； 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋； 輸出阻抗很高輸出阻抗很高(幾幾M至幾十至幾十M)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。高放大倍數(shù)的處理電路。3 3、二極管雙、二極管雙T

11、 T形電路形電路電路原理如圖電路原理如圖(a)(a)。供電電壓是幅值為。供電電壓是幅值為UEUE、周期、周期為為T T、占空比為、占空比為5050的方波。若將二極管理想化的方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖電路，如圖(b)(b)。其中二極管。其中二極管VD1VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2VD2截止截止，電容，電容C1C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容考慮，電容C2C2的電壓初始值為的電壓初始值為UEUE。根據(jù)一階電。根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容路時(shí)域分析

12、的三要素法，可直接得到電容C2C2的電的電流流iC2iC2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2i C1i C2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+i C1i C2iC1iC2電路特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。 4 4、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱差動(dòng)脈寬又稱差動(dòng)脈寬( (脈沖寬度脈沖寬度) )調(diào)制電路調(diào)制電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬利用

13、對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器V D1V D2A1A2ABR1C1C2u ABFQQUr差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路G5 5、 調(diào)頻電路見(jiàn)調(diào)頻電路見(jiàn)9999頁(yè)）頁(yè)） 6 6、 諧振電路諧振電路 （見(jiàn)（見(jiàn)100100頁(yè)）頁(yè)） LCf210（五（五 ） 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近個(gè)極