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1、传感器技术第讲电容式传感器第1页，本讲稿共40页第第4课课 电容式传感器电容式传感器第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性 一一、什么是电容式传感器？什么是电容式传感器？将被测参数变换成电容将被测参数变换成电容量的一种传感器。它的转换量的一种传感器。它的转换元件实际上就是一个具有元件实际上就是一个具有可可变参数的电容器变参数的电容器。第2页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性二、原理二、原理 用用两两块块金金属属平平板板作作电电极极，即即可可构构成成最最简简单单的的电电容容器器。当当忽忽略略边边缘缘效效应应时，其电容量为：时，其电容量为：式中：式中：S两极板间相互
2、覆盖的面积，两极板间相互覆盖的面积，m2；d两极板间的距离，两极板间的距离，m；两极板间介质的介电常数，两极板间介质的介电常数，Fm；第3页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性二、原理二、原理电容量为：电容量为：由由上上式式可可知知，电电容容器器容容量量C的的大大小小与与S、d和和有有关关，若若保保持持这这三三个个参参数数中中的的两两个个不不变变而而改改变变另另一一个个，则则C就就会会发发生生变化。这实际上就是电容式传感器的基本原理。变化。这实际上就是电容式传感器的基本原理。第4页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型 根根据据发发
3、生生变变化化的的参参数数的的不不同同，电电容容式式传传感感器器相相应应地地分分为为以以下三种类型。下三种类型。（一）变面积型（一）变面积型（二）变间隙型（二）变间隙型（三）变介电常数型（三）变介电常数型第5页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（一）变面积型（一）变面积型 变面积型电容传感器的两个变面积型电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称极板中，一个是固定不动的，称为定极板；另一个是可移动的，为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对定称为动极板。根据动极板相对定极板的移动情况，变面积型电容极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为传
4、感器又分为角位移式角位移式和和直线位直线位移式移式两种。两种。第6页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（一）变面积型（一）变面积型(二种）二种）角位移式角位移式直线位移式直线位移式第7页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（一）变面积型（一）变面积型1、角位移式、角位移式工作原理工作原理当被测量的变化引起当被测量的变化引起动极板有一角度位移动极板有一角度位移时，两极间相互覆盖时，两极间相互覆盖的面积改变了的面积改变了，从而，从而也就改变了两极板间也就改变了两极板间的电容量的电容量C 。由上式可见由上式可见,电容量
5、电容量C C与角位移与角位移呈线关系呈线关系第8页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（一）变面积型（一）变面积型2、直线位移式、直线位移式工作原理工作原理当被测量的变化引起动当被测量的变化引起动极板移动距离极板移动距离X X时，则时，则S S发生变化，发生变化，C C也就改变了也就改变了特点：特点：1、容量与角位移或直线位移呈、容量与角位移或直线位移呈线性关系；线性关系；2、减小两极板的距离、减小两极板的距离d或增大极或增大极板宽度板宽度b可提高传感器灵敏度。可提高传感器灵敏度。第9页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型
6、三、类型（二）变间隙型（二）变间隙型 变间变间隙型隙型电电容容传传感器有一个定极板和一个感器有一个定极板和一个动动极板，当极板，当动动极板随被极板随被测测量量变变化而移化而移动时动时，两极板的，两极板的间间距距d d就就发发生了生了变变化，化，从而也就改从而也就改变变了两极板了两极板间间的的电电容量容量C C。1、基本结构、基本结构2、差动结构、差动结构第10页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（二）变间隙型（二）变间隙型1、基本结构、基本结构初始电容量：初始电容量：当动极板随被测量的变化引起间当动极板随被测量的变化引起间距减小了距减小了d 时，电容量
7、就变化时，电容量就变化为：为：d第11页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（二）变间隙型（二）变间隙型1、基本结构、基本结构当dd0时，上式可展开为级数形式第12页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（二）变间隙型（二）变间隙型1、基本结构、基本结构显然，显然，C/C0与与 d之间是非线性关系，只有当之间是非线性关系，只有当d/d01时，忽时，忽略级数式的高次项，才能近似线性关系略级数式的高次项，才能近似线性关系o oo第13页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（二）变间
8、隙型（二）变间隙型 差动结构的变间隙型电容传差动结构的变间隙型电容传感器采用两块定极板，在二者之间感器采用两块定极板，在二者之间分别放一块动极板。当动极向下移分别放一块动极板。当动极向下移动时，两个电容器的间距分别为：动时，两个电容器的间距分别为：2、差动结构、差动结构C1的间隙为：的间隙为：C2的间隙为：的间隙为：第14页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（三）变介电常数（三）变介电常数型型变变介介电电常常数数型型电电容容传传感感器器常常用用来来检检测容器中液面的高度和测厚度。测容器中液面的高度和测厚度。原理原理：在介电常数为在介电常数为x的被测的被
9、测液体中，放入两个同心圆筒状液体中，放入两个同心圆筒状电极，液体上面气体的介质常电极，液体上面气体的介质常数为数为，液体浸没电极的高度，液体浸没电极的高度就是被测量就是被测量x.1、电容式液面计、电容式液面计第15页，本讲稿共40页第一节、工作原理及特性第一节、工作原理及特性三、类型三、类型（三）变介电常数型（三）变介电常数型2、电容式测厚仪、电容式测厚仪xdAB第16页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 为为什什么么要要借借助助测测量量电电路路来来检检测测电电容容器器的的电电容变化量？容变化量？由电容器的电容量计算公式得知：由电容器的电容量计算公式得知：改变其中的改变其中的、S、
10、d任一值都会引起容量改变。但受电容击穿任一值都会引起容量改变。但受电容击穿电压和体积等限制，使电容器传感器的输出电容值非常小，通电压和体积等限制，使电容器传感器的输出电容值非常小，通常只有几皮法至几十皮法，不便直接显示、记录，更难以传输。常只有几皮法至几十皮法，不便直接显示、记录，更难以传输。所以，需要测量电路来检测这一微小的电容量，并转换成正比所以，需要测量电路来检测这一微小的电容量，并转换成正比的的电压电压、电流电流或或频率频率等信号。等信号。第17页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 一、类型一、类型 1、调幅型调幅型 2 2、脉宽调制型、脉宽调制型 3 3、调频型、调频型
11、第18页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 1、调幅型调幅型 这种电路输出的是幅度值，并且正比于或近这种电路输出的是幅度值，并且正比于或近似正比于被测信号。该电路有两种：似正比于被测信号。该电路有两种：（1）交流电桥电路）交流电桥电路 （2）运算放大器电路）运算放大器电路第19页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 1、调幅型调幅型（1）交流电桥电路）交流电桥电路-单臂接法单臂接法 ABCD第20页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 1、调幅型调幅型（1）交流电桥电路）交流电桥电路-差动接法差动接法 -+-+第21页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电
12、路 （1）交流电桥电路）交流电桥电路-差动接法差动接法 1、调幅型调幅型（1）交流电桥电路）交流电桥电路-单臂接单臂接法法 非线性关系非线性关系线性关系线性关系第22页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 1、调幅型调幅型（1）交流电桥电路）交流电桥电路 （2）运算放大器电路）运算放大器电路基本电路基本电路传感器电容固定电容第23页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 1、调幅型调幅型（1）交流电桥电路）交流电桥电路 （2）运算放大器电路）运算放大器电路可调零电路可调零电路第24页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 2 2、脉宽调制型、脉宽调制型 该电路用于测量
13、差动结构的电容器的输出电压该电路用于测量差动结构的电容器的输出电压UAtUBt当当C1=C2时时,UA=UB所以所以 U0=0第25页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 2 2、脉宽调制型、脉宽调制型 该电路用于测量差动结构的电容器的输出电压该电路用于测量差动结构的电容器的输出电压当当C1C2时时,UA UB所以所以 U0=有输出有输出UAtUBt第26页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 3 3、调频型、调频型 该电路的基本原理是把电容式传感器接入高频振荡器该电路的基本原理是把电容式传感器接入高频振荡器回路中，当传咸器的输出电容量在被测量作用下发生变化回路中，当传咸器
14、的输出电容量在被测量作用下发生变化时振荡频率亦相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电时振荡频率亦相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频型容的调制，故称调频型第27页，本讲稿共40页第二节第二节 测量电路测量电路 种类和形式电路输出U0与被测电容C之间的关系特性调幅型交流电桥电路单臂接法输出UO与C之间是非线性关系差动接法输出UO与C之间是线性关系运算放大器电路基本电路输出UO与C之间是线性关系可调零电路输出UO与C之间具有线性输出特性脉宽调制型输出UO与C之间具有线性输出特性调频型抗外来干扰能力强，特性稳定，且能取得较高的直流输出信号。第28页，本讲稿共40页第三节第三节 实
15、际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 一、温度对结构尺寸的影响及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法二、电容电场的边缘效应二、电容电场的边缘效应 三、寄生三、寄生电电容的影响容的影响 第29页，本讲稿共40页第三节第三节 实际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 一、温度对结构尺寸的影响及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法 环境温度的改变将引环境温度的改变将引起电容式传感器各部分零起电容式传感器各部分零件几何尺寸和相互间几何件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从产生附加位置的变化，从产生附加电容变化。而产生附加电电容变化。而产生附加电容变化。尤其对于变间隙
16、容变化。尤其对于变间隙型电容传感其极板间距仅型电容传感其极板间距仅为几十微米至几百微米，为几十微米至几百微米，温度引起的尺寸相对变化温度引起的尺寸相对变化就可能相当大，从而造成就可能相当大，从而造成很大的特性温误差很大的特性温误差 动极板动极板定极板定极板绝缘材料绝缘材料第30页，本讲稿共40页第三节第三节 实际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 一、温度对结构尺寸的影响及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法由上式可见，在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙d0，然后根据材料的线膨胀系数适当地选择h1和h2，以尽量满足上式的温度补偿条件。1、选用温度膨胀系数
17、小、几何尺寸稳定的材料。（陶瓷、铁镍合金）2、采用差动对称结构。3、在测量电路中加以补偿。第31页，本讲稿共40页第三节第三节 实际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 二、电容电场的边缘效应二、电容电场的边缘效应理想条件下，平行板电容器理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际上，在极板的盖的空间，但实际上，在极板的边缘附近，电场分布是不均匀的，边缘附近，电场分布是不均匀的，从而使电容的实际计算公式变得从而使电容的实际计算公式变得相当复杂。这种电场的边缘效应相当复杂。这种电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电相当于传感器并
18、联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加降和非线性增加。第32页，本讲稿共40页第三节第三节 实际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 二、电容电场的边缘效应二、电容电场的边缘效应解决方法：解决方法：1首首先先应应增增大大电电容容器器的的初初始始电电容容量量，即增大极板面积和减小极板间距。即增大极板面积和减小极板间距。2加装等位环。加装等位环。如图所示，在极板如图所示，在极板A的同一平面内加的同一平面内加一个同心环面一个同心环面G。A和和G在电气上相互在电气上相互绝缘，二者之间的间隙越小越好。这绝缘，二者之间的间隙越小越好。这就可使就可使
19、A、B间的电场接近理想的均匀间的电场接近理想的均匀分布了。加装等位环的电容器有三个分布了。加装等位环的电容器有三个端子端子A、B、G。第33页，本讲稿共40页第三节第三节 实际中存在的问题及解决方法实际中存在的问题及解决方法 三、寄生三、寄生电电容的影响容的影响 我我们们知知道道，任任何何两两个个导导体体之之间间均均可可构构成成电电容容联联系系。电电容容式式传传感感器器除除了了极极板板间间的的电电容容外外，极极板板还还可可能能与与周周围围物物体体(包包括括仪仪器器中中的的各各种种元元件件甚甚至至人人体体)之之间间产产生生电电容容联联系系，这这种电容称为寄生电容。种电容称为寄生电容。由由于于传传
20、感感器器本本身身电电容容很很小小，所所以以寄寄生生电电容容可可能能使使传传感感器器电电容容量量发发生生明明显显改改变变；而而且且寄寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。解决方法：解决方法：1、静电屏蔽。（即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。）、静电屏蔽。（即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。）2、引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外、引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外3、采采用用驱驱动动电电缆缆技技术术，也也称称双双层层屏屏蔽蔽等等电电位位传传输输技技术术。将将电电极极引引出出
21、线线进进行行内内外外双双层层屏蔽屏蔽第34页，本讲稿共40页第四节第四节 应用举例应用举例 一、差动电容式压力传感器（压力传感器）一、差动电容式压力传感器（压力传感器）原理：原理：该传感器工作时，差动压力分该传感器工作时，差动压力分别作用在两隔离膜片上，通过硅别作用在两隔离膜片上，通过硅油传递至感压膜片，使其产生挠油传递至感压膜片，使其产生挠曲变形，而引起差动电容变化。曲变形，而引起差动电容变化。再经引出线接姜测量电路。再经引出线接姜测量电路。为了测量小差压，感压膜片做为了测量小差压，感压膜片做的很薄的很薄(约约005025ram)。绝缘体绝缘体电极板电极板电极板电极板感压膜片感压膜片引出线引
22、出线油硅油硅隔离膜片隔离膜片隔离膜片隔离膜片第35页，本讲稿共40页第四节第四节 应用举例应用举例 一、差动电容式压力传感器（压力传感器）一、差动电容式压力传感器（压力传感器）特点：特点：1.别别通通用用于于管管道道中中绝绝对对压压力力很很高但差压很小的场合高但差压很小的场合2.精精度度高高、耐耐振振动动、耐耐冲冲击击、可可靠好。靠好。3.但但制制造造工工艺艺要要求求很很高高，尤尤其其是是感压膜片的焊接是一工艺难题。感压膜片的焊接是一工艺难题。绝缘体绝缘体电极板电极板电极板电极板感压膜片感压膜片引出线引出线油硅油硅隔离膜片隔离膜片隔离膜片隔离膜片第36页，本讲稿共40页第四节第四节 应用举例应用举例 二、二、电电容式容式测测微微仪仪 电容式测微仪原理如图318所示。圆柱形探头外一般加等位环以减小边缘效应。探头与被测件表面间形成的电容为:特点：1、非接触2、精度高3、分辨率高（最小检测量为0.01微米）第37页，本讲稿共40页第四节第四节 应用举例应用举例 三、三、电电容式容式测测厚系厚系统统第38页，本讲稿共40页第四节第四节 应用举例应用举例 四、四、电电容式容式测电缆测电缆偏心示意系偏心示意系统统C1C2C1C2C1C2C1C2第39页，本讲稿共40页完完 第40页，本讲稿共40页