第3章 33電容式傳感器

1、Chapter 3 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器 第2頁總計 124頁*Chapter 3 電容式傳感器電容式傳感器 工作原理工作原理n利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置；n電容式傳感器就是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成電容量的測量裝置。n實(shí)質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器 第3頁總計 124頁* 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)n測量范圍大n靈敏度高n動態(tài)響應(yīng)時間短n結(jié)構(gòu)簡單 適應(yīng)性強(qiáng)n機(jī)械損失小n易實(shí)現(xiàn)非接觸測量 Chapter 3 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器 第4頁總計 124頁* 缺點(diǎn)缺點(diǎn)n寄生電容影響較大n用于變間隙原理測量時具有非線性輸出特性n由

2、于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(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，使電容式傳感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。器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。Chapter 3 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器 第5頁總計 124頁*n3.1 工作原理與類型n3.2 測量電路n3.3 主要特性n3.4 設(shè)計要點(diǎn)n3.5 應(yīng)用Chapter 3 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器 第6頁總計 124頁*3.1 電容傳感器的工作原理與類型電容傳感器的工作原理與類型n3.

3、1.1 電容傳感器的工作原理n可變電容器n3.1.2 電容傳感器類型n變面積型n變極距（間隙）型n變介電常數(shù)型電容式傳感器 第7頁總計 124頁*3.1.1 電容傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理n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，其電容C為S極板相對覆蓋面積；d極板間距離；r相對介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。dSdSCr0nSndn電容式傳感器 第8頁總計 124頁*nd、S和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時，就改變了電容C；nd或S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、加速度等的變化；nr的變化則可反映液面高度

4、、材料厚度等的變化。3.1.1 電容傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理dSdSCr0電容式傳感器 第9頁總計 124頁*3.1.2 電容傳感器類型電容傳感器類型1. 變面積型變面積型 2. 變極距變極距(間隙間隙)型型 3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 圖(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)為變面積型 圖(a)和(e)為變極距型 圖(i)(l)則為變介電常數(shù)型。注，藍(lán)色為差動式傳感器注，藍(lán)色為差動式傳感器電容式傳感器 第10頁總計 124頁*1. 變面積型變面積型角位移式角位移式直線位移式直線位移式電容式傳感器 第11頁總計 124頁*1. 變面積型變面積型線位移線位移n當(dāng)一

5、極板移動x時，則面積S發(fā)生變化，電容量C變?yōu)椋簄傳感器靈敏度K為：n增大初始電容C0可以提高靈敏度。nx變化不能太大，否則會產(chǎn)生非線性變化。abdxaCdxxdCK0axCdxabCx10電容式傳感器 第12頁總計 124頁*1. 變面積型變面積型角位移角位移n當(dāng)0時，n當(dāng)0時，n電容電容C 與角位移成線性關(guān)系。與角位移成線性關(guān)系。49%定片定片動片動片dSC0/1/10CdSC電容式傳感器 第13頁總計 124頁*1. 變面積型變面積型改進(jìn)改進(jìn)n變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。n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)，其中線位移單組

6、式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為：)/ln(212rrLC2r22r1Ll圓柱形電容式線位移傳感圓柱形電容式線位移傳感器器電容式傳感器 第14頁總計 124頁*1. 變面積型變面積型改進(jìn)改進(jìn)n當(dāng)兩圓筒相對移動l時，電容變化量C為n這類傳感器具有良好的線性，大多用來檢測位移等參數(shù)。 LlCrrlrrlLrrLC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2電容式傳感器 第15頁總計 124頁*2. 變極距型變極距型變間隙型200r00dd1dd1Cdd1CddSCCC 00dCCCddd 電容式傳感器 第16頁總計 124頁*n電容量C與極板間距d不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系。n當(dāng) 時，d

7、與C近似呈線性關(guān)系。n在d0較小時，對于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。n但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì)。2. 變極距型變極距型dd CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dC-d特性曲線特性曲線電容式傳感器 第17頁總計 124頁*2. 變極距型變極距型n在實(shí)際應(yīng)用中，常以改變極板間距d來測量，因?yàn)榭色@得高于其它形式的靈敏度。n改變極板d，可以測量微米數(shù)量級n改變面積可測量厘米數(shù)量級。一般最大位移應(yīng)小于間距的1/10。電容式傳感器 第18頁總計 124頁*3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型n測量電介質(zhì)的

8、厚度、液位，n根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度介質(zhì)材料的溫度、濕度等。DdHh1電容式傳感器 第19頁總計 124頁*3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容式傳感器 第20頁總計 124頁*3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型線位移線位移n若 ，則n被測電介質(zhì) 進(jìn)入極板間深度L后， 電容相對變化量為：102120 00rrLLLCCCbd011Lr，010 000 0000rL bL bCdd 2r200001rLCCCCCLL0Ld0r1r2電容式傳感器 第21頁總計 124頁*3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型厚度厚度n若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如圖，設(shè)

9、固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為d；被測物的厚度和它的介電常數(shù)分別為dx和x ,則傳感器的電容量與被測物體厚度的關(guān)系為： xdddabCxx/ )(dx x厚度傳感器電容式傳感器 第22頁總計 124頁*3. 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型液位液位n氣體介質(zhì)間的電容C1為：n液體介質(zhì)間的電容C2為：n總電容量為：n容量C與液位高度h1成線性關(guān)系.rRhhrRhCln2ln221221rRhCln2112rRrRhrRhhrRhCCChln2ln2ln2ln221122111211212ln2;ln2hKACrRKrRhA則令電容式傳感器n例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩

10、個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的r 2.1。n計算：(1) 傳感器的最小電容和最大電容。 (2) 用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)。pFmmpFrrHCr46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.871 . 246.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 .14)5 .0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax電容式傳感器 第24頁總計 124頁*3.2 電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路n電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一

11、個電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。n檢波電路檢波電路n電極電極n保護(hù)電極保護(hù)電極n外殼外殼n前項(xiàng)放大器前項(xiàng)放大器n恒流源恒流源電容式傳感器 第25頁總計 124頁*n電容式傳感器的等效電路可以用圖示電路表示。 圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)。nRp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。 該損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。nRs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。n電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。3.2.1 等效電路等效電路RsLCRp電容式傳感器 第26頁總計 124頁*n由等效電路可知， 它有一個諧振頻率，通常

12、為幾十兆赫。n當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。n供電電源頻率必須低于諧振頻率，一般為諧振頻率供電電源頻率必須低于諧振頻率，一般為諧振頻率的的1 13 31 12 2，傳感器才能正常工作。，傳感器才能正常工作。3.2.1 等效電路等效電路電容式傳感器 第27頁總計 124頁*n傳感元件的有效電容Ce可由下式求得：n(為了計算方便，忽略Rs和Rp):3.2.1 等效電路等效電路222222211111(1)(1)eeej Lj Cj CCLCCLC CCCLCLCLC電容式傳感器 第28頁總計 124頁*n在這種情況下，電容的實(shí)際相對變化量為： n上式表明電容式傳感器

13、的實(shí)際相對變化量與傳感器的固有電感L的角頻率有關(guān)。 n在實(shí)際應(yīng)用時必須與標(biāo)定的條件相同。在實(shí)際應(yīng)用時必須與標(biāo)定的條件相同。n改變傳感器供電電源頻率(即轉(zhuǎn)換電路工作頻率)或更換傳感器至轉(zhuǎn)換電路的引線電纜之后，必須對整個儀器重新標(biāo)定。3.2.1 等效電路等效電路LCCCCCee21/電容式傳感器 第29頁總計 124頁*3.2.2 測量電路測量電路n調(diào)頻電路n運(yùn)算放大器電路n差動脈寬調(diào)制電路電容式傳感器 第30頁總計 124頁*n調(diào)頻測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，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。n雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的

14、大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。1.調(diào)頻電路調(diào)頻電路電容式傳感器 第31頁總計 124頁*n調(diào)頻式測量電路原理框圖如圖所示。 圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：nL振蕩回路的電感； nC振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx， C1為振蕩回路固有電容, C2為傳感器引線分布電容, Cx=C0C為傳感器的電容。 1.調(diào)頻電路調(diào)頻電路LCf21鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu電容式傳感器 第32頁總計 124頁*n當(dāng)被測信號為0時，C=0，則C=C1+C2+C0

15、，所以振蕩器有一個固有頻率f0, 其表示式為：n當(dāng)被測信號不為0時，C0， 振蕩器頻率有相應(yīng)變化， 此時頻率為：1.調(diào)頻電路調(diào)頻電路LCCCf)(210210ffLCCCCf0021)(21電容式傳感器 第33頁總計 124頁*n調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度， 可以測量高至0.01m級位移變化量。n信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量， 并與計算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可以發(fā)送、 接收， 以達(dá)到遙測遙控的目的。1.調(diào)頻電路調(diào)頻電路電容式傳感器 第34頁總計 124頁*n由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高, 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。n

16、Cx為電容式傳感器電容；nUi是交流電源電壓;n Uo是輸出信號電壓; n是虛地點(diǎn)。2.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路cbICiUiIcxICxoUA電容式傳感器 第35頁總計 124頁*n由運(yùn)算放大器工作原理可得n如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/d，代入上式，可得 n“-”號表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相。n運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系成線性關(guān)系2.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路ixoUCCUdSCUUio電容式傳感器 第36頁總計 124頁*n運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大

17、。n為保證儀器精度， 還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。2.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路電容式傳感器 第37頁總計 124頁*3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路n又稱差動脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路n利用對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。n通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。電容式傳感器 第38頁總計 124頁*3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路電容式傳感器 第39頁總計 124頁*當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q Q端為高電平端為高電平(U(U1 1) )，Q Q非端為低電平非端為低電平(0)(0)，則觸發(fā)器通過，則觸發(fā)器通過R

18、 R1 1對對C Cx1x1充電；充電；當(dāng)當(dāng)F F點(diǎn)電位點(diǎn)電位U UF F升到與參考電壓升到與參考電壓U Ur r相等時，比較相等時，比較器器A A1 1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q Q端為端為低電平，低電平，Q Q非端為高電平非端為高電平(U(U1 1) )。此時，電容。此時，電容C Cx1x1通過二極管通過二極管D D1 1迅速放電至零，而觸發(fā)器由迅速放電至零，而觸發(fā)器由Q Q非非端經(jīng)端經(jīng)R R2 2向向C C2 2充電；當(dāng)充電；當(dāng)G G點(diǎn)電位點(diǎn)電位U UG G與參考電壓與參考電壓U Ur r相相等時，比較器等時，比較器A A2 2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，

19、此輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，此時，電容時，電容C Cx2x2通過二極管通過二極管D D2 2迅速放電至零，如此迅速放電至零，如此交替激勵。交替激勵。3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路電容式傳感器 第40頁總計 124頁*顯然，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出顯然，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容方波脈沖的寬度受電容C Cx1x1、C Cx2x2的調(diào)制。當(dāng)?shù)恼{(diào)制。當(dāng)C Cx1x1=C=Cx2x2 時，電路各點(diǎn)的電壓波形如圖時，電路各點(diǎn)的電壓波形如圖(a)(a)所示，所示，Q Q和和Q Q非兩端電平的脈沖寬度相等，非兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)差動電容兩端間的平

20、均電壓為零。當(dāng)差動電容C Cx1x1和和C Cx2x2的值不相等，例如的值不相等，例如C Cx1x1CCx2x2時，時， C Cx1x1和和C Cx2x2充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，電路中各點(diǎn)的充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，電路中各點(diǎn)的電壓波形如圖電壓波形如圖(b)(b)所示。所示。電容式傳感器 第41頁總計 124頁*3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路電容式傳感器 第42頁總計 124頁*3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路nUAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為：nC1、C2的充電時間T1、T2為：n設(shè)R1R2R，則：n輸出直流電壓與傳感器電容差值成正比輸出直流電壓與傳感器電容差值成正比 1212

21、111121212oABTTTTUUUUUUTTTTTT120112CCUUCC11111lnrUTRCUU12221lnrUTR CUU電容式傳感器 第43頁總計 124頁*n把平行板電容的公式代入，在變極板距離的情況下可得：n式中, d1、d2分別為Cx1、Cx2極板間距離。 n當(dāng)差動電容Cx1= Cx2=C0，即d1=d2=d0時，Uo=0；若Cx1Cx2， 設(shè)Cx1 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路12121UddddUo10UddUo電容式傳感器 第44頁總計 124頁*n同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有：n由此可見，差動

22、脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。 3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路1USSUo電容式傳感器 第45頁總計 124頁差動脈寬調(diào)制電路實(shí)例差動脈寬調(diào)制電路實(shí)例3.差動脈寬調(diào)制電路差動脈寬調(diào)制電路電容式傳感器 第46頁總計 124頁*3.3 電容傳感器的主要特性電容傳感器的主要特性3.3.1 靜態(tài)靈敏度3.3.2 非線性 電容式傳感器 第47頁總計 124頁*3.3.1 3.3.1 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度n靜態(tài)靈敏度為被測量變化緩慢的狀態(tài)下，電容變化量與引起其變化的被測量之比。n1

23、 變極距型n2 變面積型n3 變介電常數(shù)型 電容式傳感器 第48頁總計 124頁*1 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變極距型變極距型n靜態(tài)靈敏度與初始間距有關(guān)，而且不是常數(shù)，靜態(tài)靈敏度與初始間距有關(guān)，而且不是常數(shù)，隨被測量變化而變化。隨被測量變化而變化。 00dCCCCdd011gCCkdddd2301gCdddkdddd1/dd電容式傳感器 第49頁總計 124頁*n要提高靈敏度，應(yīng)減小d0，但過小不但影響兩極板間移動的平穩(wěn)性，而且容易使電容器擊穿。n一般可在極板間放置云母片或塑料膜，以提高電容器耐擊穿性能。1 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變極距型變極距型g0dgd00ddggSC電容式傳感器 第50頁總計

24、124頁* 1 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變極距型變極距型n云母的g是空氣0的7倍。n云母片的擊穿電壓不小于103KV/mm，空氣的擊穿電壓為3KV/mm，即使0.01mm的云母片它的擊穿電壓也不小于10KV/mm，因此初始d0可以大大減小。n 是恒定值，它能使電容傳感器的線性得到改善。只要dg合適，就能較好的線性。n一般的起始電容在1020pF之間，極板間距在25200m的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/10。ggd/電容式傳感器 第51頁總計 124頁* 2 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變面積型變面積型n圓柱形圓柱形變面積型電容式傳感器靈敏度系數(shù)nkg取決于r2/r1，r2與r1越接近，靈敏度越高。n內(nèi)

25、外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)影響傳感器的線性。120/ln2rrlClCkg電容式傳感器 第52頁總計 124頁*n平板式平板式變面積電容傳感器靜態(tài)靈敏度為常數(shù)n增大極板寬度b、減小間距d，可提高靈敏度。n極板起始遮蓋長度的大小與靈敏度無關(guān)，但是也不能太小，否則將因邊緣電場影響增大而影響傳感器的非線性。 2 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變面積型變面積型0gCbkad電容式傳感器 第53頁總計 124頁*3 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型n變介電常數(shù)型電容傳感器靜態(tài)靈敏度在忽略邊緣效應(yīng)時，其輸入被測量與輸出電容量一般呈線性關(guān)系，因而靜態(tài)靈敏度系數(shù)為常數(shù)常數(shù)。電容

26、式傳感器 第54頁總計 124頁*n變極距型，當(dāng)極板間距變化時：n輸出電容C與被測量之間是非線性關(guān)系。n只有當(dāng)(/1時，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為CC0(/)。n注意取值不能太大，否則將降低靈敏度。3.3.2 非線性非線性/1100CCC3201CC電容式傳感器 第55頁總計 124頁*3.3.2 非線性非線性n如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(C) ，那么被測量就與XC成線性關(guān)系，不需要滿足 這一要求了。n在忽略邊緣效應(yīng)時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場分布不均勻，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降

27、，但比變極距型好得多。電容式傳感器 第56頁總計 124頁*改進(jìn)方法改進(jìn)方法差動電容差動電容n在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。00d1d2C1C2S電容式傳感器 第57頁總計 124頁*n在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移d時，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d，則： 改進(jìn)方法改進(jìn)方法差動電容差動電容002001/11/11ddCCddCC電容式傳感器 第58頁總計 124頁*n在d/d01時, 按級數(shù)展開得， n電容值總的變化量為： 改進(jìn)方法改進(jìn)方法差動電容差動電容 3020002302000111ddddddCCdddddd

28、CC 503000212ddddddCCCC電容式傳感器 第59頁總計 124頁*n電容值相對變化量為：n略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0近似成為線性關(guān)系： n如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感器的相對非線性誤差近似為：改進(jìn)方法改進(jìn)方法差動電容差動電容40200012ddddddCC002ddCC%100%100|/|2|)/( |220030 dddddd電容式傳感器 第60頁總計 124頁*改進(jìn)方法改進(jìn)方法差動電容差動電容 結(jié)論結(jié)論n靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍n非線性誤差減小一個數(shù)量級非線性誤差減小一個數(shù)量級電容式傳感器 第61頁總計 124頁* 3.4 電容傳感器的特點(diǎn)及設(shè)

29、計要點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計要點(diǎn) n3.4.1 電容傳感器的特點(diǎn)n3.4.2 電容傳感器的設(shè)計要點(diǎn)電容式傳感器 第62頁總計 124頁*n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)n溫度穩(wěn)定性n動態(tài)響應(yīng)n結(jié)構(gòu)簡單 適應(yīng)性強(qiáng)n非接觸測量 具有平均效應(yīng)3.4.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器 第63頁總計 124頁*n缺點(diǎn)缺點(diǎn)n輸出阻抗高 負(fù)載能力差n寄生電容影響大n輸出特性非線性3.4.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器 第64頁總計 124頁*n1. 保證絕緣材料的絕緣性能n2. 消除和減小邊緣效應(yīng)n3. 消除和減小寄生電容的影響n4. 防止和減小外界干擾3.4.2 電容傳感器設(shè)計要點(diǎn)電容傳感器設(shè)

30、計要點(diǎn)電容式傳感器 第65頁總計 124頁*電容式接近開關(guān)電容式接近開關(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3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用電容式傳感器 第66頁總計 124頁*3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用n變極距型 n量程0.01m數(shù)百微米n精度0.01mn分辨力0.001mn變面積型n量程0.1mm數(shù)百毫米n線性優(yōu)于0.5%n分辨力0.010.001m電容式傳感器 第67頁總計 124頁*3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用機(jī)械量測量n直線位移n角位移n振動振幅（高頻）n精密軸系回轉(zhuǎn)精度n加速度電容式傳感器 第68頁總計 124頁*3.

31、5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用n當(dāng)電容式傳感器測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往采用單邊式變極距型，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極在傳感器內(nèi)。n是非接觸測量，動態(tài)范圍比較小，約為十分之幾毫米左右，測量精度超過0.1m，分辨力為0.010.001m。電容式傳感器 第69頁總計 124頁*n角度和角位移傳感器用于精密測角，如高精度陀螺和擺式加速度計。n動態(tài)范圍 0.1 幾十度n分辨力0.1 n測振幅傳感器n峰值050 mn頻率102kHzn靈敏度高于0.01 mn非線性誤差小于0.05 m3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用電容式傳感器 第70頁總計 124頁*3.5

32、 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用n壓力、差壓、液位、料面、成分含量（油、糧食中的水分）、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度；n電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等；n自動檢測和控制系統(tǒng)中用作位置信號發(fā)生器。電容式傳感器 第71頁總計 124頁*3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用n電容式接近開關(guān)不僅能檢測金屬，而且能檢測塑料、木材、紙、液體等其他電介質(zhì)；n靜電電容式電平開關(guān)是廣泛用于檢測儲存在油罐、料斗等各種物體位置的一種成熟產(chǎn)品。電容式傳感器 第72頁總計 124頁*3.5.1 差動電容式壓力傳感器3.5.2 電容式加速度傳感器 3.5.3 差動式電容測厚傳感器3.5.4 電容式振動位移傳感器 3.

33、5.5 電容式液位計3.5.3 電容式料位計3.5 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用電容式傳感器 第73頁總計 124頁*3.5.1 差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 電容式傳感器 第74頁總計 124頁*n圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。 n當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量,一個增大,一個減小。 n該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。3.5.1 差動電容式壓力傳感器差動電容式

34、壓力傳感器電容式傳感器 第75頁總計 124頁*3.5.1 差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器電容式傳感器 第76頁總計 124頁*3.5.1 差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器風(fēng)洞試驗(yàn)中的電容式差壓傳感器電容式傳感器 第77頁總計 124頁*3.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 電容式傳感器 第78頁總計 124頁*n當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。n此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 n電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 3.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器電容式傳感器 第79頁總計 124頁*n電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板