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1、第第3章章 变阻抗式传感器原理与应用变阻抗式传感器原理与应用3.1 自感式传感器自感式传感器3.4 电容传感器电容传感器2/26/202313.1 自感式传感器自感式传感器 u3.1.1 工作原理工作原理u3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器u3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器u3.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器u3.1.5 自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路u3.1.6 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例2/26/20232n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应原理电磁感应原理n即利用线圈电感或互感的改变来实现非电即利用
2、线圈电感或互感的改变来实现非电量测量量测量2/26/20233a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器2/26/20234线圈自感：线圈自感：线圈总磁链线圈总磁链,单位：韦伯；单位：韦伯；通过每匝线圈的磁通量；通过每匝线圈的磁通量；II通过线圈的电流，单位：安培；通过线圈的电流，单位：安培；WW线圈的匝数；线圈的匝数；R Rm m磁路总磁阻，单位：磁路总磁阻，单位：1/1/亨。亨。3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理 2/26/20235当当衔衔铁铁移移动动时时，气气隙隙厚厚度度发发生生改改变变，引引起起磁磁路路中中磁磁阻阻变变化化，从从而而
3、导导致致电电感感线线圈圈的的电电感感值值变变化化，因因此此只只要要能能测测出出这这种种电电感感量量的的变变化化，就就能能确确定定衔衔铁铁位位移移量量的的大大小和方向。小和方向。自感式传感器由自感式传感器由线圈、线圈、铁芯和衔铁铁芯和衔铁三部分组三部分组成，铁芯和衔铁由导成，铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与传感器的运动部分与衔铁相连。衔铁相连。2/26/20236变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器 气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻
4、为：磁路铁损，则总磁阻为：线圈自感线圈自感:2/26/202373.1.2 3.1.2 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 L与之间是非线性关系（）2/26/20238分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移时，则，代入式（）式并整理得2/26/20239同理，向下移动时，有同理，向下移动时，有:向上移动时：向上移动时：2/26/202310线性处理，得：线性处理，得：变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，是相矛盾的，因此因此变隙式自感式传感器适用于测量微小变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。位移场合。为了减小非线
5、形误差，实际中广泛采用差动为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。变隙式电感传感器。灵敏度灵敏度k k0 0为：为：2/26/202311与与 的矛盾的矛盾n衔铁上移 切线斜率变大n衔铁下移切线斜率变小 2/26/202312为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式差动变隙式电感传感器。差动传感器电感的总变化量：2/26/202313线性处理，得：线性处理，得：灵敏度灵敏度k k0 0为：为：（1 1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的感器的2 2倍。倍。（2 2）单线圈是忽略）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是
6、忽略以上高次项，差动式是忽略 以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。显改善。2/26/202314变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。3.1.3 3.1.3 变面积式自感传感器变面积式自感传感器n设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感自感传感器自感L L为：为：灵敏度：灵敏度：灵敏度：灵敏度：2/26/2023153.1.4 3.1.4 螺线管式自感传感器螺线管式
7、自感传感器1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯（）线圈、的初始电感值：2/26/202316当铁芯移动（如右移）后：根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为：（）上式表明两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。2/26/202317考虑到考虑到 ，而，而lc与与l，rc为同数量级的量，则式为同数量级的量，则式(3.1.21)(3.1.21)和式和式(3.1.24)(3.1.24)可简化为可简化为 2/26/2023183.1.5 自感式传感器测量电路1 1、自感式传感器等效电路、自感式传感器等效电路2 2、交流电桥交流电桥3 3、调幅电路、调幅电路4 4、调频电路、
8、调频电路 5 5、调相电路、调相电路6 6、自感传感器的灵敏度、自感传感器的灵敏度2/26/2023191.自感式传感器的等效电路自感式传感器的等效电路自自感感式式传传感感器器的的线线圈圈并并非非是是纯纯电电感感，包包括括：线线圈圈线线绕绕电电阻阻和和涡涡流流损损耗耗电电阻阻及及磁磁滞滞损损耗耗电电阻阻，总总电电阻阻用用R R表表示；示；线圈的自感线圈的自感L L,绕线间分布电容绕线间分布电容C C。2/26/202320等效线圈阻抗为：等效线圈阻抗为：将上式有理化并应用品质因数将上式有理化并应用品质因数Q=L/R，可得，可得 当当Q2LC且且2LC1时，上式可近似为时，上式可近似为 2/26
9、/202321交流电桥测量电路电桥平衡的条件：2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路2/26/202322 把把传传感感器器的的两两个个线线圈圈作作为为电电桥桥的的两两个个桥桥臂臂Z Z1 1和和Z Z2 2，另另 外外 两两 个个 相相 邻邻 的的 桥桥 臂臂 用用 纯纯 电电 阻阻R R代代 替替。设设Z Z1 1=Z Z+Z Z1 1,Z Z2 2=Z ZZ Z2 2，Z Z是是衔衔铁铁在在中中间间位位置置时时单单个个线线圈圈的的复复阻阻抗抗，ZZ1 1,Z Z2 2分分别别是是衔衔铁铁偏偏离离中中心心位位置置时两线圈阻抗的变化量。时两线圈阻抗的变化量。2/26/202323设设Z Z
10、1 1=Z=Z2 2=Z=Z，Z Z3 3=Z=Z4 4=R=R，|Z|Z1 1|=|-Z|=|-Z2 2|=Z|=Z，则，则与直流差动电桥的情况相似：2/26/2023243.调幅电路调幅电路 (1)(1)变压器电路变压器电路输出空载电压输出空载电压 初始平衡状态，初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0 衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 在在Q=L/R 很高的时候，可以忽略线圈内阻：很高的时候，可以忽略线圈内阻：u0z2z1u/2u/22/26/202325传感器衔铁移动方向相反时传感器衔铁移动方向相反时 空载输出电压空载输出电压 两种情况的两种情况的输出电压大小相等，方向相反输出电压大
11、小相等，方向相反，即相位差，即相位差1800 为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置要在后续电路中配置相敏检波器相敏检波器来解决来解决。2/26/202326(2)(2)相敏检波电路相敏检波电路当衔铁偏离中间位置而使当衔铁偏离中间位置而使Z Z1 1=Z+=Z+Z Z增加，则增加，则Z Z2 2=Z-=Z-Z Z减少。减少。这时当电源这时当电源u u上端为正，下端为负时，电阻上端为正，下端为负时，电阻R R1 1上的压降大于上的压降大于R R2 2上的上的压降；压降；当当u u上端为负，下端为正时，上端为负，下端为正时，R R2
12、2上压降则大于上压降则大于R R1 1上的压降，电压表上的压降，电压表V V输出上端为正，下端为负。输出上端为正，下端为负。2/26/202327非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。而且还消除零点残余电压的影响。2/26/202328(3)(3)谐振式调幅电路谐振式调幅电路输输出出电电压压的的频频率率与与电电源源频频率率相相同同，而而幅幅值值随随着着电电感感L L而而变变化化，图图为为输输出出电电压压与与电
13、电感感L L的的关关系系曲曲线线，其其中中L L0 0为为谐谐振振点点的的电电感感值值。特特点点：此此电电路路灵灵敏敏度度很很高高，但但线线性性差差，适用于线性度要求不高的场合。适用于线性度要求不高的场合。2/26/2023294.4.调频电路调频电路GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合 Lf02/26/2023305.5.调相电路调相电路 传感电感变化将引起输出电压相位变化传感电感变化将引起输出电压相位变化 2/26/2023316.6.自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度转换电路
14、灵敏度总灵敏度总灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例：换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例：2/26/202332n假定用气隙型传感器，并采用变压器电桥作为测量电路则：2/26/202333第一项决定于传感器的类型第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小第三项决定于供电电压的大小 气隙型、变压器电桥气隙型、变压器电桥 传感器传感器 传感器灵敏度的单位为(mV/m)/V电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏2/26/2
15、023343.1.6 3.1.6 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器 2.自感式压力传感器2/26/2023351.1.自感式位移传感器自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端2/26/2023362.2.自感式压力传感器自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图当当压压力力进进入入膜膜盒盒时时，膜膜盒盒的的顶顶端端在在压压力力P的的作作用用下下产产生生与与压压力力P大大小小成成正正比比的的位位移移，于于是是衔衔铁铁也也发发生生移移动动，从从而而使使气气隙隙发发生生变变化化，流流过过线线圈圈的的电电流流也
16、也发发生生相相应应的的变变化化，电电流流表表A的的指指示示值值就就反反映了被测压力的大小。映了被测压力的大小。2/26/202337变隙差动式电感压力传感器它主要由它主要由C形弹簧管、形弹簧管、衔铁、衔铁、铁芯和线圈等组成。铁芯和线圈等组成。当当被被测测压压力力进进入入C形形弹弹簧簧管管时时，C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形，其其自自由由端端发发生生位位移移，带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体的的衔衔铁铁运运动动，使使线线圈圈1和和线线圈圈2中中的的电电感感发发生生大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变变化化。即即一一个个电电感感量量增增大大，另另一一个个电电感感量量减减小小。电
17、电感感的的这这种种变变化化通通过过电电桥桥电电路路转转换换成成电电压压输输出出。由由于于输输出出电电压压与与被被测测压压力力之之间间成成比比例例关关系系，所所以以只只要要用用检检测测仪仪表表测测量量出出输输出出电电压压，即即可可得得知被测压力的大小。知被测压力的大小。2/26/202338 板的厚度测量板的厚度测量 张力测量张力测量2/26/202339旁向式旁向式差动电感式传感器差动电感式传感器总行程：1.5mm测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：3mm测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm测量力：0.12
18、0.18N示值变动性：0.05m2/26/202340轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程：100mm线性度：0.15%总行程：27mm测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m2/26/202341IW 10/101 系列；微型电感式位移，测量范围4,5,8,10,15mm线性精度：0.5%或0.25%,外壳圆形10mm或 方 形25mm,外接励磁模块驱动 2/26/202342IW 120 系系列列:电感式位移传感器，测量行程12，24，60，100，150，200mm。无限分辨率，无磁滞。线性精度：0.5%或 0.25%。外部激励驱动电路 2/26/202343电感式传
19、感器电感式传感器(活塞活塞)2/26/2023443.4 电容传感器电容传感器 电容式传感器是将被测参数变换成电容量变化的电容式传感器是将被测参数变换成电容量变化的测量装置。测量装置。工作原理：工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量，实质上将被测量转化为电容量的变化实现测量，实质上相当于具有可变参数的电容器。相当于具有可变参数的电容器。应用范围应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量。位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量。2/26/2023453.4 电容式传感器电容式传感器3.4.1 电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设
20、计要点3.4.4 电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用2/26/2023463.4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型工作原理及类型2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器2/26/2023471.工作原理及类型工作原理及类型S极板相对覆盖面积；d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。dS2/26/202348 当被测参数变化使得当被测参数变化使得S S、d d或或发生变化时，发生变化时，电容量
21、电容量C C也随之变化。也随之变化。如如果果保保持持其其中中两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变其其中中一一个个参参数数，就就可可把把该该参参数数的的变变化化转转换换为为电电容容量量的的变变化化，通通过过测测量量电电路就可转换为电量输出。路就可转换为电量输出。电电容容式式传传感感器器可可分分为为变变极极距距型型、变变面面积积型型和和变变介介电电常常数型数型三种。三种。2/26/202349 分类示意图分类示意图 c)c)变介电常数型变介电常数型b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.+a)a)极距变化型极距变化型;+2/26/2
22、02350变极距变极距(d）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)2/26/2023512.变极距型电容传感器变极距型电容传感器若d/d103kv/mm)或塑料膜来或塑料膜来改善电容器耐压性能改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度击穿电压:使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。2/26/202358表表1 电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数 2/26/202359平板式变面积型平板式变面积型平板式变面
23、积型平板式变面积型baabdkg减小d、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度2/26/2023602.非线性非线性变极距型变极距型变极距型变极距型将上式展开成泰勒级数得可见，输出电容可见，输出电容C/C0与输入与输入d之间成非线性关系之间成非线性关系2/26/202361动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2差动式变间隙型电容传感器2/26/202362动极板上移时：动极板上移时：初始位置时，初始位置时，2/26/202363采用差动形式差动形式，电容总变化量：差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍差动式的非线性得到了很大
24、的改善，灵敏度也提高了一倍差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗作为电容式传感器输出量被测量d与 XC成线性关系无需满足2/26/2023643.4.3 电容传感器的特点和设计要点电容传感器的特点和设计要点1.特特 点点2.设计要点设计要点2/26/202365 1、电容传感器的特点、电容传感器的特点优点优点:(1).温度稳定性好温度稳定性好（电容值与电极材料无关，本身发热极小电容值与电极材料无关，本身发热极小）(2).结构简单、适应性强结构简单、适应性强，能够承受高压力、高冲击、过载，能够承受高压力、高冲击、过载等情
25、况。等情况。(3).动态响应好动态响应好 极板间的静电引力很小，需要的作用能量极极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小小 可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻 其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电介质损耗小，可以用较高频率供
26、电,系统工作频率高。它可用系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。2/26/202366(4).可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感电容传感电容传感电容传感器可以完成测量任务。器可以完成测量任务。器可以完成测量任务。器可以完成测量任务。当采用非接触测量时当采用非接触测量时当采用非接触测量时当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应电容式传
27、感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应,可可可可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。2/26/202367 缺缺 点点：(1)、输出阻抗高、负载能力差输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几传感器的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
28、差，易受外界干扰影响，必须因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。(2)、寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、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的电容等“寄生电容寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；的灵敏度；另一方面这些电容另一方面这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变化的，常常是随机变化的，将使传感器工作不
29、稳定，影响测量精度将使传感器工作不稳定，影响测量精度。2/26/2023682.电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点(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缘材料的绝缘性能(2)消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰扰(4)尽可能采用差动式电容传感器尽可能采用差动式电容传感器 2/26/202369(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能减小温度误差、保证高的绝缘性能 选材、结构、加工工艺选材、结构、加工工艺 电极电极：温度系数低的铁镍合金
30、、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 电介质电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为介电常数温度系数近为0）采用差动结构差动结构、测量电路，这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。2/26/202370传感器密封，用以防尘、防潮 n传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。n可在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、降低温度系数
31、。2/26/202371(2).消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 n理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。n当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。2/26/202372边缘效应 理想电容器的电场线是直线理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间而实际电容器只有中间有些区域勉强是直线有些区域勉强是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害到电容边缘时电场线弯曲最厉害,这种电场线弯曲现这种电场线弯曲现象就是象就是
32、边缘效应边缘效应.(.(只针对平行板电容器只针对平行板电容器)+-2/26/202373危害：灵敏度降低 产生非线性 n n适当减小极间距，适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。可能限制测量范围。n n电极应做得极薄电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。可减小边缘电场的影响。2/26/202374等位环等位环 结构结构 边缘电场均 匀 电 场3321带有等位环的平板电容传感器原理带有等位环的平板电容传感器原理1
33、、2电极3等位环 等位环等位环等位环等位环3 3 3 3与电极与电极与电极与电极2 2 2 2同平面并将电极同平面并将电极同平面并将电极同平面并将电极2 2 2 2包围，彼此包围，彼此包围，彼此包围，彼此电绝缘但等电位电绝缘但等电位电绝缘但等电位电绝缘但等电位，使电极使电极使电极使电极1 1 1 1和和和和2 2 2 2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环环环环3 3 3 3外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传
34、感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。2/26/202375(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。外界干扰。寄寄生生电电容容与与传传感感器器电电容容相相并并联联，影影响响传传感感器器灵灵敏敏度度，而而它它的的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。（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 2/26/202376(4)
35、差动技术的运用差动技术的运用 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2/26/2023773.4.4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；和电容式传感器本身的电感；R2由引线电阻、极板电阻；由引线电阻、极板电阻；和金属支架电阻组成；和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；路及极板与外界所形成的总寄生电容；R1是极间等效漏电阻，极板间的漏电损耗和介质损耗、是极间等效漏电阻，极板间的漏电损耗和介质
36、损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；2/26/202378低频等效电路低频等效电路 n传感器电容的阻抗非常大，L和R2的影响可忽略n等效电容Ce=C0+Cp，n等效电阻ReR1 nR1是极间等效漏电阻2/26/202379高频等效电路高频等效电路 n电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和R2的影响不可忽略，漏电的的影响不可忽略，漏电的影响可忽略影响可忽略，其中，其中Ce=C0+Cp，而，而ReR2,R2由引线由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；R2CL2/26/202380由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采
37、由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由敏度由kg变为变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随感）有关，且随变化而变化。变化而变化。2/26/2023813.4.5 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2/26/202382(1)调频电路调频电路
38、测测定定频频率率经经鉴鉴频频器器将将频频率率变变化化转转成成电电压压幅幅值值的的变变化化，就就可可测测得得被被测测量量的变化的变化2/26/202383当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，c0，此时频率为具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至0.01m0.01m级位移变化量级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 2/26/202384(2)运算放大器式电路运算放大器式电路 最大特点最大特点最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性：能克服变极距型电容传感器的非线性 C
39、x是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号运算放大器式电路原理图2/26/202385由运算放大器工作原理可知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假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般但一般A和和Zi足够大，所以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。2/26/202386(3)二极管双二极管双T型电路型电路 2/26/202387C2C1UERLR1R2i1i2+若将二极管理想化，则正半周时，若将二极管理想化
40、，则正半周时，VDVD1 1导通、导通、VDVD2 2截止，截止，电容电容C C1 1被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至U UE E ，电容，电容C C2 2的电压初始的电压初始值为值为 U UE E ，电源经，电源经R R1 1以以i i1 1向向R RL L供电，而电容供电，而电容C C2 2经经R R2 2、R RL L放电，流过放电，流过R RL L 的放电电流为的放电电流为i i2 2，流过，流过R RL L 的总电流的总电流i iL L为为i i1 1 和和i i2 2的代数和。的代数和。2/26/202388UE+i2 R1R2C1C2RL+i1 在负半周时，二极管在负半周
41、时，二极管D D2 2导通、导通、D D1 1截止，电容截止，电容C C2 2很快被很快被充电至电压充电至电压U UE E；电源经电阻；电源经电阻R R2 2以以i i2 2 向负载电阻向负载电阻R RL L供电，供电，与此同时，电容与此同时，电容C C1 1经电阻经电阻R R1 1、负载电阻、负载电阻R RL L 放电，流过放电，流过R RL L 的放电电流为的放电电流为i i1 1。流过。流过R RL L的总电流的总电流i iL L 为为i i1 1 和和i i2 2 的代数的代数和。和。2/26/202389其中其中其中其中K K K K是有电阻是有电阻是有电阻是有电阻R R1 1、R
42、R2 2和和和和R RL L决定的常数，决定的常数，决定的常数，决定的常数，f f为电源电为电源电为电源电为电源电压频率，压频率，压频率，压频率，U UE E为电源电压幅值。为电源电压幅值。为电源电压幅值。为电源电压幅值。可见输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，可见输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，可见输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，可见输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与而且与而且与而且与T T T T形网络中的电容形网络中的电容形网络中的电容形网络中的电容C C C C1 1 1 1和和和和C C C C2 2 2 2的差值有关。的差值有关。的差值有关。的差值有
43、关。当电源当电源当电源当电源确定后，输出电压只是电容确定后，输出电压只是电容确定后，输出电压只是电容确定后，输出电压只是电容C C C C1 1 1 1和和和和C C C C2 2 2 2 的函数。的函数。的函数。的函数。在负载在负载R RL L上产生的电压为：上产生的电压为：2/26/202390电路的特点电路的特点:线路简单，可全部放在探头内，大大缩短线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；们高度稳定；适用于具有线性特性的单组式和差动式电适用于
44、具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器容式传感器。2/26/202391 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽利用对传感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能得到对应被测量变化的直流信号。(4).差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路2/26/202392循循环环工工作作C2通过通过VD2迅速放电至零！迅速放电至零！C1通过通过VD1迅速放电至零！迅速放电至零！2/26/202393平均值平均值=02/26/202394u uABAB经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，
45、就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U U0 0为为为为 式中式中式中式中U UA A、U UB BA A点和点和点和点和B B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T T1 1、T T2 2 分别为分别为分别为分别为C C1 1和和和和C C2 2的充电时间；的充电时间；的充电时间；的充电时间；U U1 1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。2/26/202395C1、C2的充电时间：的充电时间：Ur：触发器的参考电压：触发器的参考电压 设设R1
46、=R2=R，则得：，则得：结论结论结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 2/26/202396设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d1、d2和和S1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 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式电容式传感器并具有理论上的线性特性 2/26/202397优优 点：点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳
47、定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等经低通滤波器可输出较大的直流电压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对输出矩形波的纯度要求也不高2/26/2023983.4.6 电容式传感器的应用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2/26/202399P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电电容容式式差差压压传传感感器器 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(约约约约1
48、00ms)100ms)能测微小压差能测微小压差能测微小压差能测微小压差(0(00.75Pa)0.75Pa)、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10(10-5-5Pa)Pa)即可即可即可即可 2/26/2023100高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器电容式差压变送器 2/26/2023101各种电容式差压变送器外形 2/26/2023102
49、2/26/2023103231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板固定极板 2壳体壳体 3簧片簧片 4 质量块质量块 6 绝缘体绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 电电容容式式加加速速度度传传感感器器2/26/2023104硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为其工作电压为2.72.75.25V5.25V，可输出与加速度成正比
50、的电可输出与加速度成正比的电压，也可输出占空比正比于压，也可输出占空比正比于加速度的加速度的PWM PWM 脉冲。脉冲。2/26/2023105微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5 mm，线性误差：1%2/26/2023106硅微加工加速度传感器原理 1 加速度测试单元 2 信号处理电路 3 衬底 4 底层多晶硅（下电极）5 多晶硅悬臂梁 6 顶层多晶硅（上电极）2/26/2023107 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C