傳感器電容傳感器

第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3電容傳感器電容式傳感器是把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高、測量精度高、具有平均效應(yīng)、可非接觸測量、能在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作。電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且還逐步地擴大到用于壓力、差壓、液位、物位或成份含量等方面的測量。3.3電容式傳感器第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3.2電容傳感器的主要性能3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容傳感器等效電路3.3.5電容傳感器測量電路3.3.6電容傳感器的應(yīng)用3.3電容式傳感器第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容傳感器3.3電容式傳感器第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日什么是電容器？電容器有兩個用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷導(dǎo)體之間的電壓差3.3.1電容傳感器的工作原理3.3電容式傳感器第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日1.工作原理及類型S——極板相對覆蓋面積；

d——極板間距離；

εr——相對介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)（8.85pF/m）；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。dSε3.3.1電容傳感器的工作原理3.3電容式傳感器第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理d、S和εr中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容d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；

εr

的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。3.3電容式傳感器dSε第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3電容式傳感器第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3電容式傳感器第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3電容式傳感器第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理變極距型:(a)、(e)變面積型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)型:

（i）～(l)3.3電容式傳感器第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理2.變極距型電容傳感器dA:可動極板εB:固定極板非線性關(guān)系若△d/d<<1時，則上式可簡化為若極距縮小△d最大位移應(yīng)小于間距的1/10初始電容3.3電容式傳感器第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.變面積型電容傳感器3.3電容式傳感器第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.變面積型電容傳感器當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關(guān)系3.3電容式傳感器第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理電容式角位移傳感器當θ=0時當θ≠0時傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系3.變面積型電容傳感器3.3電容式傳感器第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理4.變介電常數(shù)型電容傳感器在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。3.3電容式傳感器第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3電容式傳感器第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理4.變介電常數(shù)型電容傳感器相對介電常數(shù)的電介質(zhì)以不同深度插入電容器3.3電容式傳感器第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理當L=0時，傳感器的初始電容當被測電介質(zhì)進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動量L呈線性關(guān)系3.3電容式傳感器第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理4.變介電常數(shù)型電容傳感器初始電容電容式液位傳感器電容與液位的關(guān)系為：3.3電容式傳感器第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3.2電容傳感器的主要性能3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容傳感器等效電路3.3.5電容傳感器測量電路3.3.6電容傳感器的應(yīng)用3.3電容式傳感器3.3電容式傳感器第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2電容傳感器的主要性能1.靜態(tài)靈敏度被測量緩慢變化時，傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。2.非線性3.3電容式傳感器第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2電容傳感器的主要性能1.靜態(tài)靈敏度變極距型，其靜態(tài)靈敏度為將上式展開成泰勒級數(shù)得d過小易導(dǎo)致電容器擊穿，在極間加一層云母片或塑料膜來改善電容器耐壓性能3.3電容式傳感器第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2電容傳感器的主要性能平板式變面積型增加極板寬度、減小極板間距可提高靜態(tài)靈敏度；極板起始遮蓋長度a的大小與靈敏度無關(guān)！其靜態(tài)靈敏度為3.3電容式傳感器第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2電容傳感器的主要性能2.非線性變極距型將上式展開成泰勒級數(shù)得非線性3.3電容式傳感器第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.2電容傳感器的主要性能2.非線性非線性得到了改善靈敏度：3.3電容式傳感器第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3.2電容傳感器的主要性能3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容傳感器等效電路3.3.5電容傳感器測量電路3.3.6電容傳感器的應(yīng)用3.3電容傳感器3.3電容式傳感器3.3電容式傳感器第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

1、特點優(yōu)點:（1）溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小)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.電容傳感器的特點3.3電容式傳感器第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。3.3電容式傳感器第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

1、特點（3）動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。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。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。3.3電容式傳感器第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

靜電力的計算

電容C中儲存的能量為：對于平板電容器，使極板移動所需的力F約為3.3電容式傳感器第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

1、特點（4）可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)當被測件不能允許采用接觸測量的情況下，電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。3.3電容式傳感器第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

缺點:(1)輸出阻抗高、負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，傳感器負載能力差易受外界干擾影響。(2)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，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，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的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的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。3.3電容式傳感器第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

缺點:(3)寄生電容影響大傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l～2m導(dǎo)線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，①降低了傳感器的靈敏度；②這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求.3.3電容式傳感器第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點

低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)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消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小寄生電容的影響防止和減少外界干擾盡可能采用差動式電容傳感器3.3電容式傳感器第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(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、人造寶石及各種陶瓷等做支架電介質(zhì)：空氣或云母加工工藝：傳感器密封，用以防塵、防潮結(jié)構(gòu)：采用差動結(jié)構(gòu)3.3電容式傳感器第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點(2)消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低產(chǎn)生非線性減小邊緣效應(yīng)：減小極間距，使電極直徑與間距比很大但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍dA:可動極板εB:固定極板3.3電容式傳感器第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日(2)消除和減小邊緣效應(yīng)

可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍，且與電極2絕緣但等電位，這就能使電極2的邊緣電力線平直，電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3電容式傳感器第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點(3)消除和減小寄生電容的影響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影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ海╝）增加傳感器原始電容值（b）集成化引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等---“寄生電容”3.3電容式傳感器第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點（a）增加傳感器原始電容值采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2—0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，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。一般電容值變化在10-3—103pF范圍內(nèi)，相對值變化在10-6—1范圍內(nèi)。3.3電容式傳感器第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

（b）集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(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而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。

3.3電容式傳感器第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

(4)防止和減小外界干擾當外界干擾(如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。3.3電容式傳感器第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

(4)防止和減小外界干擾防止和減小干擾的措施歸納為：屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等。增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。盡可能一點接地，避免多點接地。地線用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€3.3電容式傳感器第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點

2、設(shè)計要點(5)差動技術(shù)的運用減小非線性誤差提高傳感器靈敏度3.3電容式傳感器第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3.2電容傳感器的主要性能3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容傳感器等效電路3.3.5電容傳感器測量電路3.3.6電容傳感器的應(yīng)用3.3電容式傳感器3.3電容式傳感器第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4電容傳感器等效電路

rC0CPRgLL包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻3.3電容式傳感器第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4電容傳感器等效電路

rC0CPRgL低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大L和r的影響可忽略等效電容C=C0+Cp等效電阻Re≈RgCRe3.3電容式傳感器第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4電容傳感器等效電路

rC0CPRgL高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈rreCL3.3電容式傳感器第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4電容傳感器等效電路高頻等效電路reCL由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此傳感器等效電容3.3電容式傳感器第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.4電容傳感器等效電路

高頻等效電路此時電容傳感器的等效靈敏度為當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。3.3電容式傳感器第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.1電容傳感器的工作原理3.3.2電容傳感器的主要性能3.3.3電容傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容傳感器等效電路3.3.5電容傳感器測量電路3.3.6電容傳感器的應(yīng)用3.3電容式傳感器3.3電容式傳感器第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

（1）調(diào)頻電路（2）運算放大器電路（3）雙T型電橋電路（4）脈寬調(diào)制電路3.3電容式傳感器第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路(1)調(diào)頻電路高頻振蕩器的LC震蕩回路鑒頻器3.3電容式傳感器第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

當被測信號為零時，△C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，當被測信號不為零時，△c≠0，此時頻率為具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強3.3電容式傳感器第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

(2)運算放大器電路uC-ACx∑～u0運算放大器式電路原理圖Cx是傳感器電容，作為電路的反饋元件C是固定電容u0是輸出電壓信號3.3電容式傳感器第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

由運算放大器工作原理可知從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性前提：假設(shè)放大器開環(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，誤差很小。uC-ACx∑～u03.3電容式傳感器第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

(3)雙T型電橋電路U0iC1iC2±UED1D2RRC1C2RL.....D1、D2為特性完全相同的兩個二極管R1＝R2＝R；C1、C2為傳感器的兩個差動電容當傳感器沒有位移輸入時，C1＝C2，RL在一個周期內(nèi)流過的平均電流為零，無電壓輸出。當C1或C2變化時，RL上產(chǎn)生的平均電流將不再為零，因而有信號輸出。3.3電容式傳感器第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日正負半周分析：正半周：C1充電，電流順時針；C2放電，電流逆時針負半周：

C2充電，電流逆時針；C1放電，電流順時針若C1=C2，則平均電流0，若C1≠C2，則RL有信號輸出幾點說明：該電路電源頻率Mhz級，電源電壓幾十伏，電源的穩(wěn)定性對輸出直接產(chǎn)生影響。當電容以PF級變化時，輸出以V級變化。3.3.5電容傳感器測量電路

3.3電容式傳感器第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

(4)脈寬調(diào)制電路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。通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。3.3電容式傳感器第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

差動脈沖調(diào)寬電路原理圖3.3電容式傳感器第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

差動脈沖調(diào)寬電路原理圖3.3電容式傳感器第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為 UA、UB──A點和B點的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。3.3電容式傳感器第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

C1、C2的充電時間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比3.3電容式傳感器第63頁，共71頁，2023年，2月20日，星期日3.3.5電容傳感器測量電路

設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2

差動變極距型差動變面積型