1、2021-11-261第第5章章 電容式電容式傳感器傳感器p 工作原理工作原理p 測量電路測量電路 今日要點今日要點1、變極距型變極距型電容傳感器電容傳感器變面積型變面積型電容傳感器電容傳感器3、變介質(zhì)型變介質(zhì)型電容傳感器電容傳感器 1.調(diào)頻調(diào)頻電路電路2.運算放大器式運算放大器式電路電路3.二極管雙二極管雙T型型交流電橋交流電橋4.脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制電路電路2021-11-263第五章第五章 電容式傳感器電容式傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種傳感器。將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種傳感器。5.5.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類型基本原理與結(jié)構(gòu)類型一、基本原理一、基本原理平行平面型電

2、容平行平面型電容dSc d dS S結(jié)構(gòu)圖Principle2021-11-264當(dāng)極板間有多層介質(zhì)時：當(dāng)極板間有多層介質(zhì)時：nndddSc 2211d dS Sd1d1d2d2示意圖示意圖d1,d2分別是各層的厚度分別是各層的厚度 1 1, , 2 2是各層的介電常數(shù)是各層的介電常數(shù)二、結(jié)構(gòu)類型二、結(jié)構(gòu)類型按改變的參數(shù)：按改變的參數(shù)： 變極距、面積、介質(zhì)變極距、面積、介質(zhì)按被測位移量：按被測位移量： 線位移、角位移線位移、角位移按組成的方式：按組成的方式： 單一式、差動式單一式、差動式按極板的形狀：按極板的形狀： 平行平面型、平行曲面型平行平面型、平行曲面型Classify2021-11-2

3、65平行曲面型電容平行曲面型電容l2r2R示意圖示意圖)(rRL)/ln(2rRLc當(dāng)當(dāng)rR3r()2L RrLrcRrRr當(dāng)當(dāng)2021-11-266三、按改變的參數(shù)的電容傳感器三、按改變的參數(shù)的電容傳感器1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 change distance1). a a 空氣介質(zhì)變極距型空氣介質(zhì)變極距型 (單一式單一式 single type)靈敏度靈敏度:000011)(ddddcccK 初始時初始時：00dSc 移動后移動后：0001=1Sccdddd dC電容與極板的關(guān)系電容與極板的關(guān)系Cf（d） 關(guān)系關(guān)系2021-11-267000cd1dcd1d一般的變極板間

4、距傳感器一般的變極板間距傳感器主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于微位移微位移的測量的測量c20100pf, d25200um, d d2 210um10umC1C2Od1d2Cd當(dāng)當(dāng) 時時略去高次項略去高次項00cdcd近似線性近似線性d1 d2300000cdddd1cdddd+2021-11-268考慮二次項：考慮二次項：000cdd1cdd非線性誤差：非線性誤差：2000ddd100%=100%ddd靈敏度：靈敏度：000(cc ) c1Kdd2021-11-269b 空氣介質(zhì)變極距型空氣介質(zhì)變極距型 (差動式差動式 differential type)c1c2ddx移動后兩極板移動后兩極板電容分別為

5、電容分別為01000011SS ddccdddd d02000011SS ddccdddd d則差動電容：則差動電容：02121ddcccc 2021-11-2610當(dāng)當(dāng) 時時d1 d2310000dddcc1ddd2320000dddcc1-ddd由此可得出由此可得出非線性誤差非線性誤差32000d2dd100%=100%dd2d+35120000dddCccc222ddd+240000Cddd21Cddd+sensitivitynonlinearity2021-11-2611change area 1.線位移線位移式變面積型式變面積型00blcd初始時：初始時：001lccl移動后：移動后

6、：00clcl相對變化：相對變化：001c ckll靈敏度：靈敏度：ll0db定極板定極板動極板動極板輸出特性為輸出特性為2021-11-2612例題例題已知已知變面積型電容器的兩極板變面積型電容器的兩極板間距離為間距離為d=10mm,=50F/m,兩兩極板幾何尺寸一樣極板幾何尺寸一樣, l0=30mm,b=20mm，在外力的作用下，其，在外力的作用下，其中動極板在原位置上向外移動中動極板在原位置上向外移動了了l=10mm，求求C=? K=?301. 003. 002. 050ocll0db定極板定極板動極板動極板00blcd解解：100llcc03. 0110lk2021-11-26132.

7、 角位移角位移式變面積型（式變面積型（差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)）2021-11-26142. 角位移式變面積型（角位移式變面積型（差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)）2021-11-2615初始時：初始時：d為極間距離，動極板轉(zhuǎn)動為極間距離，動極板轉(zhuǎn)動后后0011 cc0012cc02112 cccc則：則：()()02202222000 .drRdrRCCCBCAC2021-11-2616初始時：初始時：d為極間距離，動極板轉(zhuǎn)動為極間距離，動極板轉(zhuǎn)動后后0011 cc0012cc02112 cccc則：則：rR0OACBl0002200rRrlrRlrCCCBCAB2021-11-26173、變介質(zhì)型電容傳感器、變介

8、質(zhì)型電容傳感器 change dielectric constant 測位移測位移, 濕度濕度, 厚度厚度()001202rlbcccd()()1200141rrlcccccl 1212121rrcclccl或初始時：初始時：l 偏離偏離 時時llld0( measuring object )2021-11-2618設(shè)：被測介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)：被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1, 液面高度為液面高度為h, 變換變換器總高度為器總高度為H, 內(nèi)筒外徑為內(nèi)筒外徑為d, 外筒內(nèi)徑為外筒內(nèi)徑為D, 則則此時變換器電容值為此時變換器電容值為 dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhcl

9、n)(2102021-11-2619n變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式, 可可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度, 也可也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。固體介質(zhì)的濕度。 電容器的損耗電容器的損耗:ABL RSRPCRp 極板間泄漏電阻與介質(zhì)損耗極板間泄漏電阻與介質(zhì)損耗RS 引線電阻（高頻）引線電阻（高頻） L 電容器本身和外部引線電感電容器本身和外部引線電感equivalent circuit 2021-11-2620有效電容有效電容實際相對變化量：實際相對變化量：

10、21eCCLCwmeasuring circuit n電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小小, 不能直接為目前的顯示儀表所顯示不能直接為目前的顯示儀表所顯示, 也很難為也很難為記錄儀所接受記錄儀所接受, 不便于傳輸。不便于傳輸。n電容轉(zhuǎn)換電路有電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運算放大器式電路、調(diào)頻電路、運算放大器式電路、二極管雙二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。等。ABL RSRPCLCCCCCee21/w2021-11-2621調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路n調(diào)頻測量電路把電容式傳感調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧

11、振回路的一器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時發(fā)生變化時, 振蕩器的振蕩振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。頻率就發(fā)生變化。12xCCCC固有電容固有電容+引線分布電容引線分布電容+傳感器電容傳感器電容12fLCfrequency modulation2021-11-2622.0ixCUUC n調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度, 可以可以測至測至0.01m級位移變化量級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊字儀器測量和與計算機通訊, 抗干擾能力強抗干擾能力強, 可可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙

12、測遙控。以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。01212012 () fffcccc Loperational amplifier運算放大器式電路運算放大器式電路2021-11-2623n運算放大器的放大倍數(shù)運算放大器的放大倍數(shù)K非常大非常大, 而且輸入而且輸入阻抗阻抗Zi很高。運算放大器可以作為電容式很高。運算放大器可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。傳感器的比較理想的測量電路。n如果傳感器是一只平板電容如果傳感器是一只平板電容, 則則cx=A/d, 則則有有dAcUUi02021-11-2624二極管雙二極管雙T型交流電橋型交流電橋差動電容傳感器差動電容傳感器高頻電源高頻電源(對稱方波對稱方波

13、)R1 = R2 = RVD1、VD2特性相同特性相同diode AC bridge with Double T shape2021-11-2625當(dāng)當(dāng)e為為正半周正半周時時, 二極管二極管VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2截止截止+-diode AC bridge with Double T shape2021-11-2626當(dāng)當(dāng)e為為負半周負半周時時, 二極管二極管VD2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1截止截止-+diode AC bridge with Double T shape2021-11-2627其輸出在一個周期內(nèi)的平均值為其輸出在一個周期內(nèi)的平均值為122(2)()LLiLR RRR U f ccRR

14、TRIULL10dttItIT)()(201LR12iMU f cc電源幅值和頻率電源幅值和頻率電容電容C1和和C2的差值的差值可以測量高速的機械運動可以測量高速的機械運動2021-11-2628脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路比較器比較器參考電壓參考電壓u1modulator circle of pulse length2021-11-2629高電位通過高電位通過R1對對C1充電充電, 時間常數(shù)為時間常數(shù)為1 = R1 C1,高電位通過高電位通過R2對對C2充電充電, 時間常數(shù)為時間常數(shù)為2=R2C2當(dāng)差動電容器的當(dāng)差動電容器的C1 = C2時時, 其平均電壓值為零。其平均電壓值為零。202

15、1-11-2630p當(dāng)差動電容當(dāng)差動電容C1 C2且且C1 C2時時,1 = R1 C12 = R2 C2 p由于充放電時間常數(shù)變化由于充放電時間常數(shù)變化, 使使電路中各點電壓波形產(chǎn)生相電路中各點電壓波形產(chǎn)生相應(yīng)改變。應(yīng)改變。 p此時此時uA、uB脈沖寬度不再相脈沖寬度不再相等等, 一個周期一個周期(T1+T2)時間內(nèi)其時間內(nèi)其平均電壓值不為零。此平均電壓值不為零。此uAB電電壓經(jīng)低通濾波器濾波后壓經(jīng)低通濾波器濾波后, 可獲可獲得輸出。得輸出。21211)(TTTTUuuuBAABmodulator circle of pulse length2021-11-2631 當(dāng)差動電容當(dāng)差動電容C1

16、 = C2 = C0, 即即d1 = d2 = d0時時, uAB = 0; 若若C1 C2, 假設(shè)假設(shè)C1 C2, 即即d1 =d0 -d, d2 = d0+d, 則則22 221rUTR C lnUU11 111rUTR C lnUU12121UCCCCuAB Ur為參考電壓，把平行板電容的公式代為參考電壓，把平行板電容的公式代入入, 在變極板距離的情況下可得在變極板距離的情況下可得12112UdddduAB1UdduABmodulator circle of pulse length2021-11-2632 作業(yè)homework2021-11-2633五、應(yīng)用五、應(yīng)用1.電容壓力傳感器電

17、容壓力傳感器 當(dāng)壓力當(dāng)壓力P1、P2變化時，膜片變化時，膜片3和和金屬層金屬層2組成差動組成差動電容發(fā)生變化，且電容發(fā)生變化，且與壓差與壓差pP1-P2成正比。成正比。application 2021-11-26342.電容轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)電容轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)1-齒輪齒輪 2-定極板定極板 3-電容傳感器及測量電路電容傳感器及測量電路 4-頻率計頻率計 電容傳感器產(chǎn)生周期電容傳感器產(chǎn)生周期電信號，經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換電信號，經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，用頻率計顯成脈沖信號，用頻率計顯示齒輪轉(zhuǎn)速。示齒輪轉(zhuǎn)速。2021-11-2635 3.CS-LAS系列加速度傳感器系列加速度傳感器 該加速度傳感器是建造在硅

18、晶片該加速度傳感器是建造在硅晶片頂部的表面頂部的表面MEMS多硅多硅結(jié)構(gòu)。多晶硅結(jié)構(gòu)。多晶硅簧片懸浮在晶片表面的結(jié)構(gòu)，并提供簧片懸浮在晶片表面的結(jié)構(gòu)，并提供一個一個克服加速度感應(yīng)力克服加速度感應(yīng)力的阻力。用包的阻力。用包含兩個獨立的固定板和一個與運動質(zhì)含兩個獨立的固定板和一個與運動質(zhì)塊相連的中央板形成的塊相連的中央板形成的差動電容器差動電容器機機構(gòu)，測量量構(gòu)，測量量比例比例于加速度的多硅結(jié)構(gòu)于加速度的多硅結(jié)構(gòu)的的偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電壓輸出信號。，從而產(chǎn)生電壓輸出信號。2021-11-26361-固定電極固定電極 2-絕緣墊絕緣墊 3-質(zhì)量塊質(zhì)量塊 4-彈簧彈簧 5-輸出端輸出端 6-殼體殼體

19、a2021-11-2637 當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時線加速運動時, 質(zhì)量塊在質(zhì)量塊在慣性慣性空間中相對靜止空間中相對靜止, 而而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化間隙發(fā)生變化, 一個增加一個增加, 一個減小一個減小, 從而使從而使C1、 C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量, 此增量此增量正比于正比于被測加速度被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應(yīng)電

20、容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應(yīng)快和量程范圍大快和量程范圍大, 大多采用空氣或其它氣體作阻尼大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。物質(zhì)。2021-11-2638電容式料位傳感器電容式料位傳感器 測定電極安測定電極安裝在罐的頂部裝在罐的頂部, 這這樣在罐壁和測定樣在罐壁和測定電極之間就形成電極之間就形成了一個電容器。了一個電容器。2021-11-2639 當(dāng)罐內(nèi)放入被測物料時當(dāng)罐內(nèi)放入被測物料時, 由于被測物料由于被測物料介電常介電常數(shù)數(shù)的影響的影響, 傳感器的電容量將發(fā)生變化傳感器的電容量將發(fā)生變化, 電容量變化電容量變化的大小與被測物料在罐內(nèi)高度成比例變化。檢測出的大小與被測物料在罐內(nèi)高度成比例變化。檢測出這種電容量的變