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1、第五章 电容式传感器第1页，本讲稿共40页 原理原理：电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器件。优点优点：1、结构简单、分辨力高；2、它可非接触测量；3、能在数兆赫载频下工作，有利于动态检测；4、能在高频、辐射等恶劣条件下工作。第2页，本讲稿共40页第一节第一节 基本工作原理、结构及特点基本工作原理、结构及特点 第3页，本讲稿共40页一、变面积型电容传感器一、变面积型电容传感器1、工作原理 面积:A=Lb 极板间距:d 介电常数为：r第4页，本讲稿共40页电容的相对变化量为：C/C0=L/L灵敏度：S=C/L=0 rb/d第5页，本讲稿共40页2、差动式变面积型传感器第6
2、页，本讲稿共40页第7页，本讲稿共40页二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器1、工作原理、工作原理 电容的相对变化量为：第8页，本讲稿共40页第9页，本讲稿共40页如果满足条件d/d1时略去高次项 C/C0 d/d考虑二次项时：第10页，本讲稿共40页灵敏度：考虑二次项时，其相对非线性误差为：结论：结论：1）变极距型电容传感器的非线性与极距d成反比，只有在dd很小时，才有近似的线性输出，因此，这种传感器适用于微米级的位移测量中。2）传感器的灵敏度S与初始极距d的平方成反比，故可采用减小d。的办法来提高灵敏度，但又影响了线性。第11页，本讲稿共40页2、差动式变极距电容传感器电容总的相对
3、变化量为：忽略高次项：C/C0 2d/d相对线性误差为：第12页，本讲稿共40页第13页，本讲稿共40页三、变介质型电容传感器三、变介质型电容传感器第14页，本讲稿共40页传感器电容量与液位高度成线性关系。电介质材料的相对介电常数见表5-1第15页，本讲稿共40页第二节第二节 传感器的测量电路传感器的测量电路一、交流电桥一、交流电桥当电桥平衡时有：当电容传感器阻抗Z1变化Z时电桥输出电压为：第16页，本讲稿共40页将电桥平衡条件带入上式：将电桥平衡条件带入上式：第17页，本讲稿共40页(1)传感器阻抗相对变化量(2)桥臂比对于电容传感器近似为实数对于电容传感器近似为实数。第18页，本讲稿共40
4、页(3)桥臂系数K为一复数，可表示为：将代入A=ej第19页，本讲稿共40页以 为参变量分别画出桥臂系数的模、相角与a关系第20页，本讲稿共40页结论：(1)当=1时，|K|为最大值Km又随而变化 当=0O时，Km=0.25，输出电压 与电源 同相位；当=90O时，Km=0.5，输出电压 与电源 发生90O相移；当=180O时，Km，此时甸桥发生谐振，输出电压 趋于无限大；(2)当=1时，无论为何值始终为0，则输出与电源同相位；当 时，=m，并且m=；当=0时，则=0第21页，本讲稿共40页第22页，本讲稿共40页二、变压器式电容电桥（了解）二、变压器式电容电桥（了解）第23页，本讲稿共40页
5、电路输出电压为当桥路输出端开路时输出电压为：当传感器C1和C2是变极距型差动平板电容器时，有：第24页，本讲稿共40页第25页，本讲稿共40页三、差动脉冲宽度调制电路三、差动脉冲宽度调制电路 第26页，本讲稿共40页第27页，本讲稿共40页当C1C2时：如果第28页，本讲稿共40页特点：(1)差动电容的变化使充电时间不同，从而使FF输出端的方波宽度不同，因此A，B两点间输出直流电压UAB也不同，且输出特性是线性的。不论是变极距型还是变面积型差动电容传感器均能得到线性输出，若是单电容传感器就不存在线性关系；(2)由于低通滤波器的作用，对输出波形纯度要求不高，但要求有一电压稳定度较高的直流电源。这
6、比其它测试电路中要求高稳定度的稳频、稳幅交流电源易于做到;(3)这种脉冲调制电路便于与传感器做在一起，从而使传输误差和导线间分布电容的影响大为减小。第29页，本讲稿共40页四、运算法测试电路四、运算法测试电路 如为变极距型传感器时将C1=0rA/d代入上市，得第30页，本讲稿共40页第三节第三节 等效电路及分布电容的消除方法等效电路及分布电容的消除方法为激励信号角频率，=2f一、等效电路一、等效电路第31页，本讲稿共40页 当激励ff0时，等效电容增加到C，在这种情况下电容的实际变化量为：第32页，本讲稿共40页二、电容电场的边缘效应及等位环的应用二、电容电场的边缘效应及等位环的应用 对于极板
7、半径为r的变极距型电容传感器，考虑边缘效应影响时，其电容值应按下式计算：第33页，本讲稿共40页三、寄生与分布电容及其消除法三、寄生与分布电容及其消除法 电容传感器由于受结构和尺寸的限制，其容量通常在几PF到几十PF范围变化。如果激励信号频率较低时，电容传感器的容抗很大，这就要求传感器绝缘电阻很高；另外，由于传感器本身容量很小，因而它极易受极板与周围物体之间产生的寄生电容（电缆寄生电容、极板与元件乃至人体间的寄生电容）的影响，此寄生电容与传感器并联，其容量甚至达到传感器电容量的几倍到几十倍，寄生电容的随机性严重影响了传感器的输出特性，甚至淹没了有用信号而不能使用。第34页，本讲稿共40页 1、
8、驱动电缆法：驱动电缆技术的基本原理是使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极板电位，要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除分布电容的影响。第35页，本讲稿共40页2、驱动电缆补偿技术第36页，本讲稿共40页特点：特点：1、电容测头具有保护环，而测量电缆为双层屏蔽电缆，整个电路共地，实现了整机一点接地，结构简单，降低了成本；2、在测量电路中把测量电缆的内、外层间的电缆电容和其他杂散电容C0接在运算放大器的负输入端，从根本上消除了运算驱动式测量电路中输出端通过C0到运算放大器正输入端的寄生正反馈；3、为了消除C0对测量电路的有害影响，在运算放大器的正输入端接入并联的固定电容C2和半可变电容器或压控变容二极管Cp，调节Cp使C4=(C2+Cp)R2C0，实现全补偿，使测量电路的输出仅仅与所测位移的电容C有关，C1的作用使直流工作稳定。第37页，本讲稿共40页第四节第四节 电容式传感器的其它应用电容式传感器的其它应用 一、一、电容式压力传感器电容式压力传感器第38页，本讲稿共40页二、二、电容式加速度传感器电容式加速度传感器第39页，本讲稿共40页第40页，本讲稿共40页