傳感器第三章電容式傳感器

1、傳感器第三章電容式傳感器第1頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日本章主要內(nèi)容及要求掌握電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)理解電容式傳感器的靈敏度和非線性了解電容式傳感器的等效電路理解電容式傳感器的測(cè)量電路熟悉電容式傳感器典型應(yīng)用第2頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 （3-1） A平行板所覆蓋面積，非電量。d兩平行板間的距離，非電量。C電容量。交流與無線電電路常用。電容極板間介質(zhì)的介質(zhì)常數(shù) ，非電量。同軸柱形電容器：第3頁，共89頁，202

2、2年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得A、 d或 發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。 改變d的傳感器可以測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而改變A的傳感器只適用于厘米數(shù)量級(jí)的位移。第4頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-2 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式厚度、位移液位、液量溫度、濕度角位移線位移角位移第5頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.1.1 變極距型電

3、容傳感器圖3-3 變極距型電容式傳感器 第6頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，由式（3-1）可知其初始電容量C0為: （3-2） 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，如圖3-3或3-2(a e )則有: （3-3） 第7頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-4電容量與極板間距離的關(guān)系曲線 CDC1DC2ODd1Dd2CDC1DC2ODd1Dd2d 式（3-3）說明C與d不是線性關(guān)系。但d很小，當(dāng) d d時(shí)，可認(rèn)為C- d是線性的。 這種傳感器一般用來測(cè)量微小變化的量，如0.01um

4、至0.Xmm的線位移.線性度與靈敏度分析第8頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 在式（3-3）中，若d/d01時(shí)，則展成泰勒級(jí)數(shù)：（3-4） 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 對(duì)同樣檢測(cè)d,設(shè)計(jì)初值d0越大,d/d0越小。 對(duì)線性度的近一步分析:可行嗎?第9頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日由(3-4)式,在d0較小時(shí)，對(duì)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。如圖3-4所示。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。辦法:為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料

5、膜等）作介質(zhì), 如圖 3-4 所示，此時(shí)電容C變?yōu)樵O(shè)計(jì)上改善靈敏度的方法?第10頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日（3-5） 式中：g云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 第11頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-4 放置云母片的電容器第12頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日表3-1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù) 第13頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為3 k

6、V/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。 由于式(3-5)分母中的 項(xiàng)是恒定值,只要云母片厚度選擇得當(dāng)，就能獲得較好的線性關(guān)系。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容C0在2030pF之間，極板間距離d0在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，變極板間距離電容式傳感器故在微米位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。 第14頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 為提高變極距型傳感器的靈敏度和克服某些外界因素影響，我們還可以采取什么措施呢？討論：作成差動(dòng)式，如圖3-2中e。 這樣不僅可改善非線性、提高靈敏度，還可以減少外界因素（如電源電壓、環(huán)境溫度等）影響。第15頁

7、，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.1.2 變面積型電容式傳感器 被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容量的變化。1、平板型線位移式傳感器：如圖3-5，當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長度方向平移x時(shí)，則電容變化量為： (3-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為： (3-7) 這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。 第16頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-5 變面積型線位移電容傳感器原理圖 第17頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-6 電容式角位移傳感器原理圖 2、

8、電容式角位移傳感器第18頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日(3-8) 式中： r介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； d0兩極板間距離； A0兩極板間初始覆蓋面積。 圖3-6是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)=0時(shí)，則 第19頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日（3-9） 從式（3-9）可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 當(dāng)0時(shí)， 則 第20頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 C與a基本上成線性關(guān)系。采用圓柱形電容器的原因主要是考慮到動(dòng)極板稍作徑向

9、移動(dòng)時(shí)、不影響電容器的輸出特性。3、圓柱形電容式位移傳感器 初始位置時(shí)（a=0），動(dòng)、定極板相互覆蓋，電容量為：當(dāng)動(dòng)極板發(fā)生位移a后，其容量為：（3-11）(3-10)第21頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 同樣道理，為提高變面積型傳感器的靈敏度和克服某些外界因素影響，常做成差動(dòng)式，如圖3-2中f g h。第22頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日式中： C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 即 (3-12) 可見：此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。3.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器 1、圓柱型 如圖5-7示。此時(shí)變換器電容值為： 第23

10、頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 第24頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日(3-13) 2、平板型變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，圖3-8是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。 圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C（并聯(lián)）為： 第25頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 第26頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L=0時(shí)，傳感

11、器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為: (3-14) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。 第27頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性(3-15) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)，按級(jí)數(shù)展開，可得 (3-16) 1、 由前面變極距電容傳感器公式（3-3）已得到， 電容的相對(duì)變化量為： 第28頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C0與輸入位移d之間實(shí)際成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0|1時(shí)，可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系： (3-

12、17) (3-18) 說明：單位輸入位移所引起的輸出電容相對(duì)變化的大?。挫`敏度）與d0呈反比關(guān)系。 電容式傳感器的靈敏度定義為，電容變化與所引起該變化的可動(dòng)部件的機(jī)械位移變化之比。即變極距電容傳感器的靈敏度為：第29頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日如果考慮式（3-16）中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則 (3-19) 由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差為 (3-20) 由式（3-16）與式（3-18）可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 第30頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減

13、小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 如圖3-9所示, 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，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 (3-21) (3-22) 第31頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D3-9 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 第32頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 （3-43） 第59頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有 （3-44） 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式

14、傳感器,并具有理論上的線性特性 第60頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日優(yōu) 點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 第61頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.4.6、電橋電路電橋輸出電壓為：電橋平衡條件：第62頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.1 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 電容測(cè)厚傳感器是用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè)，其工作原理是在被測(cè)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

15、，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極,而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來,經(jīng)過放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。 3.5 電容式傳感器的應(yīng)用第63頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日?qǐng)D 3-19 差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖 第64頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.2頻率變換型電容測(cè)厚傳感器 將被測(cè)電容c1，c2作為各變換振蕩器的回路電容，振蕩器的其他參數(shù)為固定值，其等效電路如下：電路的振蕩頻率為：因?yàn)?與 有關(guān)

16、，而 與板材的厚度有關(guān) 。各頻率值通過取樣計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字量，再由微機(jī)進(jìn)行函數(shù)處理，就可得到誤差極小的板材厚度。 第65頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.3 電容式壓力傳感器 該傳感器的靈敏度和分辨率都很高，響應(yīng)速度快(約100ms),可以測(cè)量00.75Pa的微小壓差真空或微小絕對(duì)壓力(需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 )。第66頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第67頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 圖3-22(b)為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍

17、層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí),所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 第68頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.6、高分子電容式濕度變送器 該儀器是利用高分子電容式濕敏傳感器測(cè)量濕度的。高分子薄膜式濕敏元件應(yīng)用的是平板電容器原理在絕緣基片上依次形成上電極、感濕腹、下電級(jí)。感濕膜是聚酰亞胺高分子聚合物，它吸收環(huán)境中的水分，使其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化，達(dá)到測(cè)濕目的。其測(cè)量范圍為0%RH100%RH，輸出電壓 V 。其等效電路如圖。第

18、69頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.6、石英撓性伺服加速度計(jì) 石英撓性伺服加速度計(jì)是由固有頻率很低的電容式加速度計(jì)和伺服回路兩大部分組城并形成一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)與原理如圖324所示。第70頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.5.7 電容式加速度傳感器 圖3-18 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 第71頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)

19、生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。 電容式加速度傳感器大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì),其主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大,精度較高，量程大，可以測(cè)很高的加速度 .第72頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用 第73頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日容柵式電容傳感器應(yīng)用第74頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日主要應(yīng)用于量具、量儀和機(jī)床數(shù)顯裝置。角位移容柵傳感器已在電子數(shù)

20、顯千分尺及機(jī)床分度盤中應(yīng)用。線位移容柵傳感器已在電子數(shù)顯卡尺、數(shù)顯深度尺、數(shù)顯高度尺、機(jī)床數(shù)顯標(biāo)尺中應(yīng)用 第75頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日應(yīng)用產(chǎn)品圖片第76頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日電容傳感器濕敏電容第77頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日壓力及液位傳感器（上海正開）第78頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第79頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日3.6 傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 1. 特 點(diǎn)2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)第80頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，

21、星期日1、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):1. 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無關(guān)；本身發(fā)熱極小 ）2. 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng) 3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)第81頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日缺 點(diǎn)：1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響 。2、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量小，而引線電纜電容、電路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等寄生電容卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度 。第82頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn) (1). 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 (2). 消除和減小邊緣效應(yīng) (3).消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾 (4).盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器 低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)第83頁，共89頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8m