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1、,第4章 电容式传感器,4.1 电容式传感器的工作原理4.2 电容式传感器主要性能4.3 电容式传感器的特点和设计要点4.4 电容式传感器等效电路4.5 电容式传感器测量电路4.6 电容式传感器的应用,第4章 电容式传感器4.1 电容式传感器的工作原理,4.1 电容式传感器的工作原理,1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器,返回,4.1 电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型返回,1.工作原理及类型,S 极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数；电容极板间介质的介电常数。,返回,1.工作原理及类型 S 极,变极距(）型:
2、(a)、(b)变面积型(S)型:(c)、(d)、(e)变介电常数()型:（f）、(g),变极距(）型:(a)、(b),2.变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则上式可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于间距的1/10;采用差动式结构改善其非线性,初始电容,返回,则,线性关系,2.变极距型电容传感器非线性关系 若d/d1时，则,3.变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,返回,3.变面积型电容传感器 当动极板相对于定极,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,电容式角位移传感器 当=0时 当0时
3、传感器电容量C与角,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,4.变介电常数型电容式传感器,电容式位移传感器,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为电容变化,初始电容,电容与液位的关系为：,电容式液位传感器,返回,电容式液位传感器,初始电容 电容与液位的关系为：电容式液位传感器 返回电容式,4.2 电容式传感器主要性能,1.静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2.非线性,返回,4.2 电容式传感器主要性能 1.静态灵敏度返回,变极距型，其静态灵敏度为,将上式展开成泰勒级数得,但过小易导致电容器击
4、穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能,差动结构可提高灵敏度,改善非线性,1.静态灵敏度,变极距型，其静态灵敏度为 将上式展开成泰勒级数得,减小、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,平板式变面积型baab,2.非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,取值不能大，否则将降低灵敏度,2.非线性变极距型 将上式展开成泰勒级数得 取值不能大,采用差动形式，并取两电容变化量之和作为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,采用差动形式，并取两电容变化量之和作为输出量 差动式的非线性,4.3 传感器的特点和设
5、计要点,1.特 点2.设计要点,返回,4.3 传感器的特点和设计要点 1.特,1、特点,优点:(1)温度稳定性好 电容值与电极材料无关，本身发热极小(2)结构简单、适应性强 易于制造,体积小,能在恶劣环境下工作(3)动态响应好 动态响应时间短,可以用较高频率供电(4)可以实现非接触测量、具有平均效应,1、特点 优点:,缺 点：,(1)输出阻抗高、负载能力差 电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响(2)寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电
6、容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度.,缺 点：(1)输出阻抗高、负载能力差,2.设计要点,(1)减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能(2)消除和减小边缘效应(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰(4)尽可能采用差动式电容传感器,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应等,2.设计要点(1)减小环境温度湿度等变化所产生的,(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能,选材、结构、加工工艺 电极：温度系数低的
7、铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防温、防潮 采用差动结构、测量电路来减小温度等误差,(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能 选材、结构、加,(2)消除和减小边缘效应,危害：灵敏度降低 产生非线性 减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大,易产生击穿并有可能限制测量范围,(2)消除和减小边缘效应 危害：灵敏度降低,等位环结构,边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上
8、非线性恰好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降。,等位环结构 边缘电场均匀电场3321带有等位环的平板电容传感,(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。,（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地,(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。（a）,(4)差动技术的运用,减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响,(4)差动技术的运用 减小非线性误差,4.4 电容
9、式传感器等效电路,Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容,4.4 电容式传感器等效电路Cp为引线电缆、所接测量电路及,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻ReRg,低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略Ce,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而rer,高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影,4.5
10、 电容式传感器测量电路,(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路,返回,4.5 电容式传感器测量电路(1)调频电路返回,(1)调频电路,特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。,(1)调频电路特点：,(2)运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,(2)运算放大器式电路 最大特点：能克服变极距型电容传感器的,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性 假设放大器开环放大倍数A=，输入阻
11、抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。,由运算放大器工作原理可知 结论：从原理上保证了变极距型电容式,(3)二极管双T充放电网络,正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1 C2，则RL有信号输出,(3)二极管双T充放电网络正负半周分析：,几点说明：该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。当电容以PF级变化时，输出以V级变化。适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。,几点说明：,(4)差动脉冲调宽电路,利用对传感
12、器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,(4)差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉,差动脉冲调宽电路原理图BQVD2VD1AR2R1FGC1C2,第4章电容传感器课件,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为,式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 式中UA、U,C1、C2的充电时间,式中 Ur触发器的参考电压,设R1=R2=R，则得,结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,C1、C2
13、的充电时间式中 Ur触发器的参考电压 设R1,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2,差动变极距型差动变面积型,特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容 式传感器并具有理论上的线性特性,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2,优 点：,采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高,优 点：采用直流电源，其电压稳定度高,4.6 电容式传感器的应用,(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器,返回,4.6 电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器返回,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质,电容式位移传感器应用,a)测振幅被测物振动电容式传感器b)测轴回转精度和轴心偏摆被,
