Ch-34 電容式傳感器(第三版)

1、上節(jié)內(nèi)容回顧1、電渦流傳感器的工作原理 ：渦流效應(yīng)2、電渦流傳感器的分類高頻反射式低頻透射式3、電渦流傳感器的應(yīng)用 ：位移、振幅、厚度、轉(zhuǎn)速等本章主要內(nèi)容電容式傳感器的工作原理和主要性能電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器等效電路電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器的應(yīng)用3.3.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理及類型2. 變極距型電容式傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容傳感器什么是電容器？電容器有兩個(gè)用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開(kāi)的電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷導(dǎo)體之間的電壓差電容器式傳感器是一種將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器C ？UQ1. 工作原理+A兩

2、平行極板組成的電容器,它的電容量為: 當(dāng)被測(cè)量當(dāng)被測(cè)量、A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。C ？AAr0電 容 式 傳 感 器極距變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器圓筒形極板電容器,它的電容量為:rRlCrln202. 變極距型電容傳感器AC dAdC22dCACkd 2. 變極距型電容傳感器 110000CssCCCrr）（若極距縮小 200001CCCC

3、200001CC0L非線性隨極板間距非線性隨極板間距的減小而增大的減小而增大2. 變極距型電容傳感器CAddCS2提高靈敏度應(yīng)減小間距電容器擊穿非線性誤差增大：在極板間放置云母片：采用差動(dòng)型靈敏度隨極板間靈敏度隨極板間距的減小而增大距的減小而增大2. 變極距型電容傳感器 2000021CC20）（L 2000011CC200012CC02CCS差動(dòng)型122. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器傳感器靈敏度傳感器靈敏度dxbCr0常數(shù)dbdxdCSr0直線位移型直線位移型靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)傳感器靈敏度傳感器靈敏度dSCr00常數(shù)dSddCSr00角角位移型位

4、移型00rSd 靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)3. 變面積型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器Rr0ll)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC常數(shù)00lClCS3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器d00/ )(rddACAACr0rAAC0/4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器02010021)(dLLLbCCCrr02001dLbCr插入板料厚度和極板間距相等001002)(dLLbCr0200010000100dLbdLbdLbCrrr02000010dLbdLbCrr4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器01000100200021)(/ )(/d

5、LLbdddLbCCCrrr1002001/ )(/rrdddLbC插入板料厚度為d001002)(dLLbCr4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器dDHCln20初始電容 電容式液位傳感器 )()(21dDlnhHC)(212dDlnhC)(2)()(21dDlnhdDlnhHC)()(210dDlnhC3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.3 電容式傳感器等效電路3.3.4 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.5 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.2 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)1、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):1.

6、 溫度穩(wěn)定性好2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，減小了慣性其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。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，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交

7、流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。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很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)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，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)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 2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 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(dòng)式電容傳感器 (1)減小溫度、濕度誤差、保證高的絕緣性能 電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（

8、電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)） ：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）：用以防塵、防潮 采用、測(cè)量電路來(lái)減小溫度等誤差 (2). 消除和減小邊緣效應(yīng) 危害：靈敏度降低、 產(chǎn)生非線性 適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍 等位環(huán) 結(jié)構(gòu) 邊 緣 電 場(chǎng)均 勻 電 場(chǎng)33211、2 電極 3等位環(huán)(3) 消除和減小寄生電容的影響， 防止和減少外界干擾（a）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，

9、避免多點(diǎn)接地 (5)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差提高傳感器靈敏度減小寄生電容的影響溫度、濕度等環(huán)境因素的影響3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器低頻等效電路 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ReRg CRg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rer reCLRCjLjC

10、je11LCCCe21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 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，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)，且隨變化而變化。 3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器3.3.5 電

11、容式傳感器測(cè)量電路 (1) 調(diào)頻電路(1) 調(diào)頻電路01012()ifCCCL1012()ifCCCC L LCf2110iCCCC振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容引線分布電容引線分布電容傳感器電容傳感器電容當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，01012()ifL CCC當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 01012()ifffL CCCC具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) (2)運(yùn)算放大器式電路 ：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào) 運(yùn)算放大器式電路原理圖cbI&a

12、mp;iI&cxI&iU&0U&KxCCaaU&(2)運(yùn)算放大器式電路 1icbaUIUj C&cxcbiIII&01cxaxUIUj C&0ixCUUC &0,0aUI&QcbI&iI&cxI&iU&0U&KxCCaaU&由運(yùn)算放大器工作原理可知 ( )/xCSd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。 0ixCUUC &0iU CUdS &(3)二極管雙T型電路 電源為正半周

13、D1短路D2開(kāi)路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE 電路的特點(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 。 3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器3.3.6 電容式傳

14、感器的應(yīng)用 (1) 電容式差壓傳感器(2) 電容式振動(dòng)位移傳感器(3) 電容式加速度傳感器P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(00.75Pa)、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 231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度 0RMMRCVCVRRMMCVCV可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6