第5章电容式传感器

第 5章 5.2
电容式传感器
电容传感器输出特性
差动结构的电容特征方程式为： 差动结构的电容特征方程式为：
∆d ∆d 2 C1 = C0 [1 + + ( ) + ⋯] d0 d0
上静片
d d
１
２
Ｃ1 Ｃ２
动 片
∆d ∆d 2 ∆d 3 C2 = C0 [1 − + ( ) − ( ) + ⋯] d0 d0 d0
第 5章
电容式传感器
5.2 电容传感器输出特性 变介电常数式（ 3 变介电常数式（ε） 当某种介质在两固定极板之间运动时， 当某种介质在两固定极板之间运动时 ， 电容量与 介质参数之间的关系为： 介质参数之间的关系为：
C=
ε0 A
a −d + d
动
εr
a
d
片
εr 变介电常数式电容传感器分几种情况： 变介电常数式电容传感器分几种情况： • 测介电常数 εr ； • 测厚度 测厚度d
传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压 液面、成份含量等方面的测量。 差、液面、成份含量等方面的测量。
第 5章 概述
电容式传感器 各种电容式传感器 电容式接近开关
ε
下静片
第 5章
5.2 电容传感器输出特性
电容式传感器
电容的总的变化量
∆d ∆d 3 ∆C = C1 − C2 = 2C0 [ + ( ) + ⋯] d0 d0
电容的相对变化量
∆C ∆d ∆d 2 ∆d 4 =2 [1 + ( ) + ( ) ⋯] C0 d0 d0 d0
电容特征方程忽略高次项得： ∆C ≈ 2 ∆d 电容特征方程忽略高次项得：
T T2 T −T2 1 U0 = UA −UB = U1 − U1 = 1 U1 T +T2 T +T2 T +T2 1 1 1
第 5章
电容式传感器
调频电路(C→I) 5．调频电路(C→I) 谐 振 曲 线
第 5章
电容式传感器
5.4 电容式传感器的应用举例 可以测直线位移、角位移、介质尺寸（物位）、 ）、振动 可以测直线位移、角位移、介质尺寸（物位）、振动 1.电容式料位计 1.电容式料位计
第 5章
电容式传感器
差动脉冲调宽电路(C→U) 4．差动脉冲调宽电路(C→U)
电路原理图
波形图
第 5章
电容式传感器
4．差动脉冲调宽电路 电路组成： A1、A2比较器； 双稳态触发器； 电路组成： 比较器； 双稳态触发器； VD1 VD2与电阻； 组成充放电回路；Uf参考直 VD1、VD2与电阻； 组成充放电回路；Uf参考直 流电压； 双稳态作输出； 流电压； 双稳态作输出； • 电容C1、C2为传感器差动电容。 电容C 为传感器差动电容。 电路分析： 双稳态的两个输出端各产生一调 电路分析： 制脉冲，脉冲宽度受C 调制。 制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。
测固体或液体的物位或某介质的湿度、密度。 测固体或液体的物位或某介质的湿度、密度。
第 5章
电容式传感器
5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（ d ） ε 0ε r S 初始电容: 初始电容 C0 =
d0
C=
εS
d
当 d 减小 △d 时 电容 C 增加△C
d=d0- △d C=C0+△C
U RL
R(R + 2RL ) = RLUE f (c1 − c2 ) 2 (R + RL )
第 5章
电容式传感器
二极管双T 3. 二极管双T型电路(C→f) 双T型电路工作原理分析 • 正半周D1导通D2截止C1充电； 正半周D 导通D 截止C 充电； • 负半周D1截止D2导通C2充电； 负半周D 截止D 导通C 充电； 一个周期内负载R 一个周期内负载RL上输出 电压U 与电源电压V 幅值、 电压URL与电源电压VE幅值、 频率f有关; 频率f有关;与电容的差值 (C1-C2)成正比 (C1-C2)成正比
第 5章
电容式传感器
5.3 测量电路 运算放大器式电路: 1．运算放大器式电路:d(c) →U 克服变极距传感器的非 设K为理想运放 线性使其输出电压与输 入位移成线性 Cx:传感器电容, :传感器电容 传感器电容, Co:固定电容 固定电容
Cx =
ε0 A
d
第 5章
电容式传感器
5.3 测量电路 1．运算放大器式电路 对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为： 对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：
C0 U0 = − S U d ε0 A
运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型 电容传感器的非线性。 电容传感器的非线性。
第 5章
电容式传感器
2.电桥电路 2.电桥电路 (C→R) • 交流电桥的输出电压为： 交流电桥的输出电压为：
E Z1 − Z2 U0 = ⋅ 2 Z2 + Z1
1 Z1 = jωc 1
第 5章
电容式传感器
5.4 电容式传感器的应用举例 2．电容式压力传感器 膜片处于中间位置， 当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变： 当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH> PL时，膜片 L向弯曲，C1<C2，； 膜片P 向弯曲， PH< PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2； 膜片 向弯曲， 将这种电容变化通过电路转换为电压变化
C0 d0
第 5章
5.2 电容传感器输出特性
电容式传感器
传感器（差动式） 传感器（差动式）灵敏度 K = ∆C / C0 = 2 1
∆d
d0
相对非线性误差为
∆d 2 γ L = ( ) × 100% d0
结论： 结论： • 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， • 非线性误差减小（多乘 ∆d 因子）。 非线性误差减小（ 因子）。
电容式变送器
电容式指纹传感器
差压传感器
第 5章 5.1
电容式传感器
电容传感器工作原理和类型
电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器 C 可以通过改变 面积， S — 面积，称变面积型传感器 ε s ε0εr s 距离， σ — 距离，称变极距型传感器 C = = σ σ ε — 介质，称变介质型传感器 介质，
如果考虑式中的线性项及二次项， 如果考虑式中的线性项及二次项，则:
∆C
C0
=
∆d
1 + d0 d0
∆d
图变极距型电容传感器的非线 性特性
非线性误差δ 非线性误差δ
(∆d / d0 )2
δ=
∆d / d0
×100% = ∆d / d0 ×100%
讨论： 讨论： • 要提高传感器灵敏度 应减小初始极距,但初始极距 应减小初始极距, 受电容击穿电压限制； 受电容击穿电压限制； • 非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性 非线性随相对的位移的增加而增加， 度应限制相对位移； 度应限制相对位移； • 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器 起始极距与灵敏度相矛盾， 适合测小位移； 适合测小位移； • 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
第 5章 5.1
电容式传感器
电容传感器工作原理和类型 变极距型传感器
测微小的线位移(0.01微米 零点几毫米 微米~零点几毫米 测微小的线位移 微米 零点几毫米)
第 5章 5.1
电容式传感器
电容传感器工作原理和类型 变面积型传感器
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测位移或较大线位移
第 5章 5.1
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器工作原理和类型 变介质型传感器
∆C ∆x =− C0 d
第 5章
5.2 电容传感器输出特性 变面积型（ 2 变面积型（S）
电容式传感器
平板变面积型电容传感器灵敏度
∆C εb Sn = =− ∆x d
结论： 结论： • 变面积式电容传感器灵敏度为常数； 变面积式电容传感器灵敏度为常数； • 输出特性为线性； 输出特性为线性； • 适合大位移测量。 适合大位移测量。
∆C C0 Sn = = ∆d d 0
第 5章 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（d） 变极距型（ 非线性
电容式传感器
∆d ∆d 2 ∆d 3 ∆C ∆d = + 1 + d + d + ⋯ C0 d0 d0 0 0
∆d ∆d 2 ∆d 3 ∆C ∆d + + ⋯ = + 1 + C0 d0 d0 d0 d0
∆C ∆d ≈ C0 d0
第 5章 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（d） 变极距型（ 传感器灵敏度
电容式传感器
用于水泥、化工、 用于水泥、化工、罐装等传 感器静电容： 感器静电容：
2πε0h 2π (εS −ε0 ) C= + hX D D ln ln d d
第 5章
电容式传感器
5.4 电容式传感器的应用举例 2．电容式压力传感器 结构： 结构： 测量膜片（金属弹性膜片） 动片； 测量膜片（金属弹性膜片）—— 动片； 定片； 两个玻璃球面上镀有金属 —— 定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。 膜片两侧左右两定中充满硅油。 工作过程： 工作过程： 当两室分别承受低压（ 当两室分别承受低压（PL） 和高压（ 和高压（PH）时，硅油能将 压差 ∆P = P − P 传递到 H L 测量膜片
E C1 − C2 U0 = ⋅ 2 C2 + C1
输出与位移成理想线性关系 C1 、 C2 为 传 感 器 的 两 个 差动电容 E △d
U0 =
2
⋅
d0
第 5章
电容式传感器
二极管双T型电路(C→f) 3. 二极管双T型电路(C→f) VE高频对称方波电源， VE高频对称方波电源， 高频对称方波电源 D1、D2特性相同二极管 C1、C2传感器差动电容 固定电阻， 负载。 R固定电阻，RL负载。 一个周期内R 一个周期内RL上的平 均值电压： 均值电压：
C C
∆ C1 ∆ C1 ∆ C2 ∆C
r
2
OO
∆ d1 ∆d
1
∆ d 2∆ d 2
d
图5-3 电容量与极板间距离的关系 图5-2 变极距型电容式传感器
第 5章 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（d） 变极距型（ 电容相对变化
电容式传感器
∆C 1 = C0 1 − ∆d d0
当|∆d/d0|<<1时，上式可按泰勒级数展开，可得 时 上式可按泰勒级数展开，
d0
第 5章
5.2 电容传感器输出特性 变面积型（ 2 变面积型（S）
电容式传感器
平板电容：当动极板移动Δ 后两极板间电容量为 后两极板间电容量为： 平板电容：当动极板移动Δx后两极板间电容量为： ε 0ε r (a − ∆x)b ∆C = C − C0 = d
初始电容
C0 =
εab
d
电容的相对变化量
第 5章 5.2
电容式传感器
电容传感器输出特性
变介电常数式（ 3 变介电常数式（ ε ） d为运动介质的厚度，d保持不变，改变 为运动介质的厚度， 保持不变 保持不变， 为运动介质的厚度 可作为介电常数的测试仪器。 可作为介电常数的测试仪器。 ε0 A C= A− d +[ d ] (ε +△ε )
第 5章
电容式传感器
主要内容： 主要内容：
5.1 5.2 5.3 5.4 电容传感器工作原理和类型 电容传感器输出特性 电容传感器测量电路 电容式传感器的应用举例
第 5章 概述
电容式传感器
电容式传感器的特点是： 电容式传感器的特点是： • • • • • 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗; 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗; 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； ），工作所需作用力很小 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可进行非接触测量。 可进行非接触测量。
r r
ε = εrε0
介电常数
ε保持不变，d改变，可作为测厚仪器。 保持不变， 改变 可作为测厚仪器。 改变，
∆C 1 d = ( − 1 ) C0 a εr
第 5章
电容式传感器
5.3 测量电路
电容传感器中电容值变化都很微小， 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示 记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 转换为电流 记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 电容传感器的测量电路包括: 电容传感器的测量电路包括: 运算放大器式电路 电桥电路 调频电路 谐振电路 二极管T 二极管T型网络 脉冲宽度调制电路