第4章电容式传感器.ppt

第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器§4.1传感器的工作原理及类型传感器的工作原理及类型§4.2电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性§4.3电容传感器的特性等效电路电容传感器的特性等效电路§4.4电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点§4.5电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路§4.6电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例§本章要点本章要点下页下页返回返回图库图库4.1 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型 电容式传感器是将被测量电容式传感器是将被测量( (如尺寸、压力等如尺寸、压力等) )的变化的变化转换成电容量变化的转换成电容量变化的----种传感器种传感器1 1、工作原理、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为如果不考虑其边缘效应，其电容为  s s C = ——C = —— d d式中式中 ε--ε--两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质的介电常数； s--s--两个极板相对有效面积；两个极板相对有效面积； d--d--两个极板间的距离两个极板间的距离下页下页上页上页返回返回图库图库下页下页上页上页返回返回由上式可知，改变电容由上式可知，改变电容C C的方法有三种，其一为改变介的方法有三种，其一为改变介质的介电常数质的介电常数εε；；其二为改变形成电容的有效面积；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。

而得到电参数的输出其三为改变两个极板间的距离而得到电参数的输出为电容值的增量为电容值的增量ΔCΔC，，这就成了电容式传感器这就成了电容式传感器2 2、类型、类型 根据上述原理，在应用中电容式传感器可以根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距有三种基本类型，即变极距( (或称变间隙）型、变面积或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型型和变介电常数型它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种4.1 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型图库图库图图4-1 变换距型电容传感器结构变换距型电容传感器结构图图4-2 变面积型电容传感器结构图变面积型电容传感器结构图图图4-3 变面积型电容传感器结构图变面积型电容传感器结构图下页下页上页上页返回返回4.1 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型图库图库4.2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性 这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度假设这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度假设极板间只有一种介质，如图极板间只有一种介质，如图4-1情况。

情况 对单极式电容表达式为：对单极式电容表达式为： 其初始电容值为：其初始电容值为： 当极板距离有一个增量当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：时，则传感器电容为： 下页下页上页上页返回返回图库图库 灵敏度灵敏度k为为 只有比值只有比值 d/d0 很很小时才可认为是接近线性关系，这就意味小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大下页下页上页上页返回返回4.2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性图库图库§为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离板间的初始距离 d0 ，，以保证比值以保证比值 d/d0不致过大，但会不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加减小，寄生电容的干扰作用将增加§常采用差动式电容传感器常采用差动式电容传感器§变面积型和变介电常数型变面积型和变介电常数型(测厚除外测厚除外)电容传感器具有很电容传感器具有很好的线性。

但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的好的线性但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多但比变极距型好得多下页下页上页上页返回返回4.2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性图库图库4.3 电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路4.3.1 电容传感器的特点电容传感器的特点 下页下页上页上页返回返回图库图库 优点：优点：§①①温度稳定性好温度稳定性好§②②结构简单、适应性强结构简单、适应性强§③③动态响应好动态响应好§④④可以实现非接触测量，可以实现非接触测量，具有平均效应点具有平均效应点 缺点：缺点：§①①输出阻抗高，负载能力输出阻抗高，负载能力差差§②②寄生电容影响大寄生电容影响大§③③输出特性非线性输出特性非线性 4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。

度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能4.4.2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它产生非线性，因此应尽量消除或减小它下页下页上页上页返回返回图库图库4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点 4.4.3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵 敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它必须消除和减小它 下页下页上页上页返回返回图库图库4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点 消除和减小寄生电容可采用如下方法消除和减小寄生电容可采用如下方法：§增加原始电容值可减小寄生电容的影响增加原始电容值可减小寄生电容的影响§注意传感器的接地和屏蔽注意传感器的接地和屏蔽§将传感器与电子线路的前置级将传感器与电子线路的前置级(集成化集成化)装在一个壳体内，装在一个壳体内， 省去传感器至前置级的电缆。

省去传感器至前置级的电缆§采用采用"驱动电线驱动电线"技术技术(也称也称"双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输"技术技术)§采用运算放大器法采用运算放大器法§整体屏蔽法整体屏蔽法下页下页上页上页返回返回图库图库 4.4.4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰§屏蔽和接地屏蔽和接地§增加原始电容值以降低容抗增加原始电容值以降低容抗§导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线用同轴屏蔽线§尽可能一点接地，避免多点按地地线要用粗的良导体或尽可能一点接地，避免多点按地地线要用粗的良导体或宽印刷线宽印刷线§尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰 4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点下页下页上页上页返回返回图库图库 图图4-5 带有等位环的平板电容带有等位环的平板电容 图图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器接地屏蔽圆筒形电容传感器 图图4-7 “驱动电缆驱动电缆”技术电路技术电路 图图4-8 运算放大器法电路运算放大器法电路 图图4-9 两个整体屏蔽法例子两个整体屏蔽法例子4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点下页下页上页上页返回返回图库图库4.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 电容式传感器把被测量转换成电路参数电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，，从而使信从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。

得到所需的测量结果或控制某些设备工作 同时，还根据需要将电路参数同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成电压、进一步转换成电压、电流、频率等电量参数电流、频率等电量参数 目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型 调制型调制型 脉冲型脉冲型(或称为电容充放电器或称为电容充放电器)下页下页上页上页返回返回图库图库4.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 4.5.1 调制型电路调制型电路§ 调频电路调频电路§ 调幅电路调幅电路 1．交流激励法．交流激励法 2. 交流电桥电路交流电桥电路 4.5.2 脉冲型电路脉冲型电路 脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电两种性脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电两种性能较好，较常用的电路为能较好，较常用的电路为§ 双双T型充放电网络型充放电网络 § 脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路下页下页上页上页返回返回图库图库例题图图4-10 调频电路调频电路图图4-11 交流激励法基本原理图交流激励法基本原理图图图4-12 谐振曲线图谐振曲线图图图4-13 电容式传感器构成交流电桥的一些形式电容式传感器构成交流电桥的一些形式图图4-14 双双T型充放电网络型充放电网络图图4-15 双双T型充放电网络等效电路型充放电网络等效电路图图4-16 脉冲调宽型电路原理图脉冲调宽型电路原理图图图4-17 各点电压波形图各点电压波形图图图4-18 差动脉冲调宽电路实例差动脉冲调宽电路实例4.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路下页下页上页上页返回返回图库图库4.6 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可可测至测至0.05μm的微小振幅的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。

在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置度等等在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器信号发生器 当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内的一个电极，另一个电极则在传感器内下页下页上页上页返回返回图库图库4.6 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例图图4-19 差动式电容压力传感器差动式电容压力传感器图图4-20 一种差动式电容测压传感器一种差动式电容测压传感器图图4-21 电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器结构示意图图图4-22 电容式料位传感器电容式料位传感器图图4-23 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器图图4-24 电容式振动位移传感器应用示意图电容式振动位移传感器应用示意图下页下页上页上页返回返回图库图库第第4章章 本章要点本章要点|电容式传感器电容式传感器Ø工作原理工作原理Ø灵敏度及非线性灵敏度及非线性Ø特点及等效电路特点及等效电路Ø设计要点设计要点Ø转换电路转换电路结束结束上页上页返回返回图库图库。