传感器电容传感器PPT讲稿.ppt

第1页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3 电容传感器电容式传感器电容式传感器是把被测是把被测非电量非电量的变化转换成的变化转换成电容量电容量变化的一种传感变化的一种传感器。器。电容式传感器电容式传感器结构简单结构简单、体积小体积小、分辨率高分辨率高、测量精度高测量精度高、具、具有平均效应、可非接触测量、能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件有平均效应、可非接触测量、能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。下工作。电容式传感器不但广泛电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度用于位移、振动、角度、加速度等机械量的等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或压力、差压、液位、物位或成份含量成份含量等方面的测量。等方面的测量。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第2页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第3页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理1.1.工作原理及类型工作原理及类型2.2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器3.3.变面积型电容传感器变面积型电容传感器4.4.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第4页，共71页，编辑于2022年，星期四什么是电容器？电容器电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。成。电容电容导体上的电荷导体上的电荷导体之间的电压差导体之间的电压差3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第5页，共71页，编辑于2022年，星期四1.1.工作原理及类型工作原理及类型 S S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；d d 极板间距离；极板间距离；r r相对介电常数；相对介电常数；0 0真空介电常数（真空介电常数（8.85pF/m8.85pF/m）；）；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。dS3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第6页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理d d、S S和和 r r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容中的某一项或几项有变化时，就改变了电容d d或或S S的变化可以反映线的变化可以反映线位移位移或角位移的变化，也可以间接反映或角位移的变化，也可以间接反映压力压力、加速度加速度等的变化；等的变化；r r 的变化则可反映的变化则可反映液面高度、材料厚度液面高度、材料厚度等的变化。等的变化。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器dS第7页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第8页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第9页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第10页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理变极距型变极距型:(a)(a)、(e)(e)变面积型变面积型:(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g)(g)（h h）变介电常数型变介电常数型:（i i）(l)(l)3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第11页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理2.2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器dA:A:可动极板可动极板B:B:固定极板固定极板非线性关系非线性关系 若若d/d1d/d1时，则上式可简化为时，则上式可简化为 若极距缩小若极距缩小d d 最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10 1/10 初始电容初始电容3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第12页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.变面积型电容传感器变面积型电容传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第13页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.变面积型电容传感器变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为方向平移时，其电容变化量化为C C与与x x间呈线性关系间呈线性关系 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第14页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当当=0=0时时 当当00时时传感器电容量传感器电容量C C与角位移与角位移 间间呈线性关系呈线性关系3.3.变面积型电容传感器变面积型电容传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第15页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理4.4.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。变介电常数型电容式传感器大多用来测量变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。质材料的温度、湿度等。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第16页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第17页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理4.4.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器相对介电常数相对介电常数 的电介质以不同深度插入电容器的电介质以不同深度插入电容器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第18页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理当当L=0L=0时，传感器的初始电容时，传感器的初始电容 当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L L深度后，引起电容相对变化量为深度后，引起电容相对变化量为电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L L呈线性关系呈线性关系 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第19页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理4.4.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器初始电容初始电容 电容式液位传感器电容式液位传感器 电容与液位的关系为：电容与液位的关系为：3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第20页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第21页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能1.1.静态灵敏度静态灵敏度 被测量缓慢变化时，传感器电容变化量与引起其变化的被测被测量缓慢变化时，传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。量变化之比。2.2.非线性非线性3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第22页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能1.1.静态灵敏度静态灵敏度 变极距型变极距型，其静态灵敏度为，其静态灵敏度为 将上式展开成泰勒级数得将上式展开成泰勒级数得 d d过小易导致电容器击穿，在极间加一层云母片或塑料膜来改善过小易导致电容器击穿，在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性能电容器耐压性能 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第23页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能平板式变面积型平板式变面积型增加极板宽度、减小极板间距可提高静态灵敏度；增加极板宽度、减小极板间距可提高静态灵敏度；极板起始遮盖长度极板起始遮盖长度a a的大小与灵敏度无关！的大小与灵敏度无关！其静态灵敏度为其静态灵敏度为 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第24页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能2.2.非线性非线性变极距型变极距型 将上式展开成泰勒级数得将上式展开成泰勒级数得 非线性非线性3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第25页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能2.2.非线性非线性非线性得到了改善非线性得到了改善灵敏度：灵敏度：3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第26页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 电容传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第27页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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 1、特点、特点 优点优点:（1 1）温度稳定性好）温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身因本身发热极小发热极小)影响甚微。影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。1.1.电容传感器的特点电容传感器的特点3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第28页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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（2 2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。能对带磁工件进行测量。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第29页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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 1、特点、特点 （3 3）动态响应好）动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其此其固有频率很高，动态响应时间短固有频率很高，动态响应时间短，能在几，能在几MHzMHz的频率下工作，的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。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。压力等。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第30页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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静电力的计算静电力的计算 电容电容C C中储存的能量为：中储存的能量为：对于平板电容器，使极板移动所需的力对于平板电容器，使极板移动所需的力F F约为约为3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第31页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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 1、特点、特点 （4 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，电容传感器可以完当被测件不能允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效成测量任务。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第32页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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缺点缺点:(1)(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，一般为几十到几百皮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，传感器负载能力差易受外界干扰法，使传感器的输出阻抗很高，传感器负载能力差易受外界干扰影响影响 。(2)(2)输出特性非线性输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电忽略了电场的边缘效应场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第33页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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缺点缺点:(3)(3)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，而其引线电缆电容传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l(l2m2m导线可达导线可达800pF)800pF)、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“寄寄生电容生电容”却较大，却较大，降低了传感器的灵敏度；降低了传感器的灵敏度；这些电容这些电容(如电缆电如电缆电容容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求安装、接法有要求.3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第34页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应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性能消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响防止和减少外界干扰防止和减少外界干扰 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 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第35页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 (1)(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、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）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石及各种陶瓷等做支架 电介质电介质 ：空气或云母空气或云母 加工工艺：加工工艺：传感器密封，用以防尘、防潮传感器密封，用以防尘、防潮 结构：结构：采用差动结构采用差动结构3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第36页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 (2)(2)消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 边缘效应危害：边缘效应危害：灵敏度降低灵敏度降低 产生非线性产生非线性减小边缘效应：减小边缘效应：减小极间距，使电极直径与间距比很大减小极间距，使电极直径与间距比很大但易产生击穿并有可能限制测量范围但易产生击穿并有可能限制测量范围 dA:A:可动极板可动极板B:B:固定极板固定极板3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第37页，共71页，编辑于2022年，星期四(2)(2)消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等位环等位环3 3与电极与电极2 2在同一平面上并将电极在同一平面上并将电极2 2包围，且与包围，且与电极电极2 2绝缘但绝缘但等电位等电位，这就能使电极，这就能使电极2 2的边缘电力线平直，电极的边缘电力线平直，电极1 1和和2 2之间的电场之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3 3外周不影响传感器两外周不影响传感器两极板间电场。极板间电场。带有等位环的平板电容带有等位环的平板电容传感器结构原理图传感器结构原理图均匀电场均匀电场1 12 23 33 3边边缘缘电电场场3.3.3 3.3.3 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3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第38页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 (3)(3)消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度影响传感器灵敏度，而它的变化则，而它的变化则为虚假信号为虚假信号影响仪器的精度影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法：，必须消除和减小它。可采用方法：（a a）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（b b）集成化）集成化引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等容等-“-“寄生电容寄生电容”3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第39页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 （a a）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值采用减小极片或极筒间的间距采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为平板式间距为0.20.5mm0.20.5mm，圆筒式间，圆筒式间距为距为0.15mm)0.15mm)，增加工作面积或工作长度来，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值增加原始电容值，但受，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在容值变化在 10-3103 pF10-3103 pF范围内，相对值变化在范围内，相对值变化在 10-6110-61范围内。范围内。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第40页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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（b b）集成化）集成化将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电电缆引线缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第41页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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(4)(4)防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当外界干扰当外界干扰(如电磁场如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。带来误差和故障。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第42页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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(4)(4)防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰防止和减小干扰的措施归纳为：防止和减小干扰的措施归纳为：屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等。屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等。增加原始电容量，降低容抗。增加原始电容量，降低容抗。导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线用粗的良导体或宽印制尽可能一点接地，避免多点接地。地线用粗的良导体或宽印制线线3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第43页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.3 3.3.3 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2 2、设计要点、设计要点 (5)(5)差动技术的运用差动技术的运用减小非线性误差减小非线性误差提高传感器灵敏度提高传感器灵敏度3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第44页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第45页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路rC0CPRgLL L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C C0 0为传感器本身的电容为传感器本身的电容C Cp p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R Rg g是极间等效漏电阻是极间等效漏电阻3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第46页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路rC0CPRgL低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大传感器电容的阻抗非常大L L和和r r的影响可忽略的影响可忽略等效电容等效电容C=CC=C0 0+C+Cp p等效电阻等效电阻ReRg ReRg CRe3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第47页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路rC0CPRgL高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L L和和r r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其，其中中C=CC=C0 0+C+Cp p，而，而r re er r reCL3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第48页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路高频等效电路高频等效电路 reCL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，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，而容抗仍很大，而R R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 传感器等效电容3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第49页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路高频等效电路高频等效电路 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，传感器的灵敏度由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kgkg变变为为keke，keke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随 变变化而变化。化而变化。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第50页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第51页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路（1 1）调频电路）调频电路（2 2）运算放大器电路）运算放大器电路（3 3）双）双T T型电桥电路型电桥电路（4 4）脉宽调制电路）脉宽调制电路3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第52页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路(1)(1)调频电调频电路路高频振荡器的LC震荡回路鉴频器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第53页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f f0 0，当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0c0，此时频率为，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 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第54页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路(2)(2)运运算放大器算放大器电电路路uC-ACxu0运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图C Cx x是传感器电容，是传感器电容，作为电路的反馈元件作为电路的反馈元件C C是固定电容是固定电容u u0 0是输出电压信号是输出电压信号 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第55页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 从原理上保证了从原理上保证了变极距型变极距型电容式传感器的线性电容式传感器的线性前提：假设放大器开环放大倍数前提：假设放大器开环放大倍数A=A=，输入阻抗，输入阻抗Zi=Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A A和和ZiZi足够大，误差很小。足够大，误差很小。uC-ACxu03.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第56页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路(3)(3)双双T T型型电桥电电桥电路路U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL.D1D1、D2D2为特性完全相同的两个二为特性完全相同的两个二极管极管R1R1R2R2R R；C1C1、C2C2为传感器的两个差动电为传感器的两个差动电容容当传感器没有位移输入时，当传感器没有位移输入时，C1C1C2C2，R RL L在一个周期内流过的平在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。均电流为零，无电压输出。当当C1C1或或C2C2变化时，变化时，R RL L上产生的上产生的平均电流将不再为零，因而有平均电流将不再为零，因而有信号输出。信号输出。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第57页，共71页，编辑于2022年，星期四正负半周分析：正负半周分析：正半周：正半周：C C1 1充电，电流顺时针；充电，电流顺时针；C C2 2放电，电流逆时针放电，电流逆时针负半周：负半周：C C2 2充电，电流逆时针；充电，电流逆时针；C C1 1放电，电流顺放电，电流顺时针时针若若C C1 1=C=C2 2，则平均电流，则平均电流0 0，若，若C C1 1 C C2 2，则，则R RL L有信号输有信号输出出几点说明：几点说明：n该电路电源频率该电路电源频率MhzMhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。对输出直接产生影响。n当电容以当电容以PFPF级变化时，输出以级变化时，输出以V V级变化。级变化。3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第58页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路(4)(4)脉宽调制电路脉宽调制电路利用对传感器电容的充放电使电路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输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化电容量变化而变化。通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第59页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第60页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第61页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路u uABAB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 U UA A、U UB BAA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；T T1 1、T T2 2 分别为分别为C C1 1和和C C2 2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。3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第62页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间式中式中 U Ur r触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R R1 1=R=R2 2=R=R，则得，则得 结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第63页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路设电容设电容C C1 1和和C C2 2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d d1 1、d d2 2和和S S1 1、S S2 2 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式电容式传感器特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器 具有理论上的线性特性具有理论上的线性特性 3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第64页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.1 3.3.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理3.3.2 3.3.2 电容传感器的主要性能电容传感器的主要性能3.3.3 3.3.3 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3.3.4 3.3.4 电容传感器等效电路电容传感器等效电路3.3.5 3.3.5 电容传感器测量电路电容传感器测量电路3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第65页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用(1)(1)电容式差压传感器电容式差压传感器3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器第66页，共71页，编辑于2022年，星期四3.3.6 3.3.6 电容传感器的应用电容传感器的应用(1)(1)电容式差压传感器电容式差压传感器P P2 2玻璃盘玻璃盘镀金层镀金层金属金属膜片膜片C C2 2电极引线电极引线p p1 1C C1 1结构简单、灵敏度高、响应速度快结