第10讲 电容式压力传感器

② 柱面型结构
CAC 0 CBC 0
0rlr
Rr
l

r

R
O
2 0rlr C CAC CBC Rr
A C B
19
四、变介质型电容传感器
C CA CB bl1 b(l 0 l1) 2 1 2
传感器与检测技术教程
1 1 2
t2
T
t3
t
41
传感器与检测技术教程
R1
a
RL
R2
R1
a
RL
R2
IL
1

U
IL
U


3
Z 12 2
Ls L M Lp M
耦合系数
Zp jM M ZS j ( L M ) jL(1 ) jL(1 k )
L
Z 12 ZS Zp jL Z 13 2ZS 2 jL(1 k )
32
传感器与检测技术教程
ZL 时，
差动变间隙型电容传感器，初始电容
C1 C 2 80 pf，
初始间隙 0 4mm ，设动极板相对于定极板位移了
0.75mm，计算其非线性误差。若改为单极平
板电容，初始值不变，非线性误差有多大？ 设计一个油料液位监测系统。当液位高于 H1 时，鸣 响震铃且红色LED亮，当液位低于 H2 时，鸣响震铃 且黄色LED亮，当液位处于 H1 和 H2 之间时，绿色 LED亮。
1
2 2
CA
CB
1bl 0 C0 1 2
1 1 l1 2 C C 0 C 0 l0 1 1 2 2
1
1
l1 l0
20
例1：薄膜测厚
传感器与检测技术教程
C
0A
( d ) d

d
r
参考文献：
“高静电场下的薄膜测厚技术”，《仪表技术与传感器》， 2001年8期
动极板
9
3、差动式变间隙型电容传感器
1
2

传感器与检测技术教程
1

2
初始位置时， 动极板上移：
A 1 2 0 C0 0 1 0 , 2 0
1
A C 1 C 0 C C 0 1 0 0

1 ZL
I1
C1 1 C
I1 I2 IL 0
节点A
Ui
IL I2 2
A A
C 22 C
Ui 22

Ui j L (C 1 C 2) I 2 1 j (C 1 C 2) ZL
37
传感器与检测技术教程
Ui j L (C 1 C 2) I 2 1 j (C 1 C 2) ZL
线性化
0.4 /0
ef
(
0 100% 100% 0 0
8
)2
传感器与检测技术教程 2、有介电层的变间隙型电容传感器
0A C 1 2 r1 r 2
定极板
0A C 2 1 r2
r1 1
2 1
r2 r1
14
2、角位移变面积型
0rA 0， C 0
传感器与检测技术教程
0， C C 0 C
0rA(1 ) C 0(1 )
C 线性 C0
15
3、筒状线位移变面积型
2 0rl 0 C0 ln( R ) r
2
1 1 0
2
17
5、差动结构变面积型
传感器与检测技术教程
① 扇形平板结构
0r ( R 2 r 2 ) CAC 0 CBC 0 0
C CAC CBC 2 0r ( R 2 r 2 )

B C A

r

R
0
O
18
传感器与检测技术教程
C2
0A 0
线性关系
Ui ZL 时， USC 2 0
39
传感器与检测技术教程
（4）双T二极管交流电桥
D2 2 D1
Ui
R2 R1
C2
R1
a
R2 RL
1
C1
a
RL
USC
1
C1
Ui
2
C2
D1
D2
40
传感器与检测技术教程
Ui
U
0
U
t1
C 4 2 LC USC Ui 2 C 2 LC 1
Cx1
Cx 2
1 3 USC
Ui
L
M
U SC / U i 4 LC S 2 C / C 2 LC 1
2
L
2
33
传感器与检测技术教程
电路谐振点： 2 LC 1/ 2
100
10
2 LC 1
Ui jZL SC IL ZL (C 1 C 2) U 2 1 j (C 1 C 2) ZL
Ui C 1 C 2 ZL 时， USC 2 C1 C 2
38
传感器与检测技术教程
差动变间隙型电容传感器：
C1
0A 0
35
传感器与检测技术教程
（3）变压器电桥
Ui
Ui 2
Ui 2
C1
A
C2
ZL
USC
36
传感器与检测技术教程
1 Ui I 1 ZL IL jC1 2 回路1 1 Ui I 2 ZL IL 回路2 jC 2 2
Ui
Ui 22
24
§2 电容式传感器的测量电路
被测非电量
传感器与检测技术教程
电容式 传感器
电容
U、I、f
测量电路
调频电路
直放式 外差式 交流电桥电路 调幅电路
普通交流电桥
耦合电感电桥
变压器电桥
双T二极管交流电桥
调宽电路
运算放大器式电路
25
一、调频电路
传感器与检测技术教程
传感器电容
f
1 2 LC
C C1 C 2 Cx
0rA C0 0
极板上移：
C1
C C 0 C 0rA 0
C 2
1 2

0rA 0rA(1 / 0) 0(1 / 0) 0(1 2 / 0 2 )
5
传感器与检测技术教程
21
例2：电容式液位传感器
C C1 C 2
2 0(l 0 l 1) 2 0 1l 1 ln( R ) ln( R ) r r 2 0l 0 2 0l 1 （ 1 1 ） ln( R ) ln( R ) r r
传感器与检测技术教程
2r
l2
0
l0
l1
传感器与检测技术教程
1
0rb0l C C1 C 2 2 0 1 0 , 2 0
0
2
l
1 1 C C 1 C 2 0rb0l 0 0
0rb0l 2 0 C 2 0
引线分布电容
振荡回路固有电容
1 f0 2 (C1 C 2 Cx ) L
1 f 2 (C1 C 2 Cx C ) L
26
传感器与检测技术教程
1、直放式：
C0
27
传感器与检测技术教程
C 0, f 0
调频电路的优点：
被测信号 抗干扰能力强
特性稳定
调频信号 高电平直流信号 易于接口 鉴频信号
讨论： （1）略去高次项
C ， C0 0
C C 0 0rA 1 K 2 2 0 0 0
7
传感器与检测技术教程
（2）考虑二次项
C/C0 0.4 0.3 特性曲线
C 1 C0 0 0
0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3
11
传感器与检测技术教程
略去高次项：
C 2 C0 0
ef 2( )3
C C0 S 2 0
提高一倍
0 100% ( ) 2 100% 0 2( ) 0
减小
12
三、变面积型电容传感器
传感器与检测技术教程
板状线位移变面积型 结构型式 角位移变面积型
A C 2 C 0 C C 0 1 0 0
1
10
传感器与检测技术教程
当 / 0 1时，
C 1 C 0 1 ...... 0 0 0
传感器与检测技术教程
电容式压力传感器 Capacitive Pressure Sensors
第10讲
非电量
电容元件
电容量变化
§1 电容式传感器的原理和结构 传感器与检测技术教程
1、平板电容器
定极板
0rA C


C —— 电容量，单位：F 法拉 0—— 真空介电常数，8.85×10-12F/m
当 0时，
C
0rA(1 / 0) 0rA (1 ) C0 C0 0(1 2 / 0 2 ) 0 0 0
0rA 0rA C C 0 C 0 0(1 / 0)
筒状线位移变面积型
中间极移动式变面积型 差动结构变面积型
13
1、板状线位移变面积型
0rb0(l 0 l ) C C 0 0 0
b
C C 0 0rb0 S l l 0 0
线性
0 l0
l
28
传感器与检测技术教程
2、外差式
C0
29
二、调幅电路
1、交流电桥电路
传感器与检测技术教程
（1）普通交流电桥
B
Cx
A
Z
Cc
C Z
USC
D
Ui
Uk
30
传感器与检测技术教程
（2）紧耦合电感电桥
Cx1
1
Cx 2
SC 3 U
M
Ui
L
L 2
31
传感器与检测技术教程
Z 13
1
Zs( Ls) Zs( Ls) Zp( Lp)
动极板
r —— 极板间介质的相对介电常数
A —— 极板的有效面积（m2）
—— 两平行极板间的距离（m）
2
传感器与检测技术教程
2、圆筒形电容器
2 0rl C R ln r
3
传感器与检测技术教程
电容式传感器
变极距型
变面积型
变介电常数型
4
二、变间隙型电容传感器
1、基本特性
传感器与检测技术教程
传感器与检测技术教程
定极筒 l R l r
2 0r (l 0 l ) C C 0 C ln( R ) r
l C 0(1 ) l0
C l C0 l0
线性
动极筒
16
4、中间极移动式变面积型
0rA C C 0 C 0
1 C0 1
1
C m nl1
线性
2R
22
传感器与检测技术教程
参考文献： 1、“用MATLAB语言建立液位电容传感器特性的数学 模型”，《传感器技术》，2001年6期 2、“射频电容式传感器的研究与应用”，《传感器技 术》，2001年2期
23
思考题！！！
传感器与检测技术教程
如何改善单极式变间隙型电容传感器的非线性？
紧耦合
灵敏度
S LC
2
2 1
2 LC 1 S 2
非耦合 0.1
0.01 0.01
0.1
1/2
1
10
100
2L 0C
34
传感器与检测技术教程
1 1 jC jL jL
L
L 1 2 LC
4 2 LC C 2 2 LC 1 C
USC S Ui
2 3
C 2 C 0 1 ...... 0 0 0
2 3
3 C C1 C 2 C 0 2 2 ...... 0 0
C 1 C0 0 0
1
当 / 0 1时，
2 3 C ...... 1 C0 0 0 0 0
6
传感器与检测技术教程