电容式传感器原理和应用.pptx

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1、 概述 电容式传感器是实现非电量到电容量电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器转化的一类传感器。u可以应用于位移、振动、角度、加速度等可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数的测量中。参数的测量中。u由于电容式传感器结构简单、体积小、分由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高，且可非接触测量，因此很有应用辨率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。前景。第1页/共64页4.1 电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：量为：式中：式中：电容极板

2、间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数， ，其，其中中 0 0为真空介电常数，为真空介电常数， r r为极板间介质相对介电常为极板间介质相对介电常数；数；AA两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；dd两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。u保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。化，通过测量电路就可转换为电量输出。ACd0r 第2页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u电容式传感器可分为变极距型、变面积型和电容式传感器可分为

3、变极距型、变面积型和变介质型三种类型。变介质型三种类型。u在实际使用时，电容式传感器常以改变改变在实际使用时，电容式传感器常以改变改变平行板间距平行板间距d d来进行测量，因为这样获得的测来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。敏度。u改变平行板间距改变平行板间距d d的传感器可以测量微米数量的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积级的位移，而改变面积A A的传感器只适用于测的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。量厘米数量级的位移。第3页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构变极距型电容传感器变极距型电容传感器

4、u下图为变极距型电容式传感器的原理图。当下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的传感器的 r r和和A A为常数，初始极距为为常数，初始极距为d d0 0时，其时，其初始电容量初始电容量 为：为：0r00ACd 0C图4-1 变极距型电容传感器原理图第4页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d d0 0缩小缩小dd，电容量，电容量增大增大CC，则有，则有u由式由式(4-3)(4-3)知传感器的输出特性知传感器的输出特性C =f(d)C =f(d)不是线性关不是线性关系，而是如图系，而是如图4-24-2所示的曲线关系。所示的曲线

5、关系。u在式在式(4-3)(4-3)中，当中，当 时，时， ，则上式，则上式可简化为：可简化为：u此时此时C C与与dd呈近似线性关系，所以变极距型电容式呈近似线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在传感器只有在d/dd/d0 0很小时，才有近似的线性输出。很小时，才有近似的线性输出。00r002020(1)(43)()1dCAdCCCdddd 220()11dd01d d000(44)dCCCd第5页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构由式由式(4-4)(4-4)还可以看出，在还可以看出，在d d0 0较小时，对于同样的较小时，对于同样的 dd变化所引起的变化所引起的CC可以增大，从

6、而使传感器灵敏可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但度提高。但d d0 0过小，容易引起电容器击穿或短路。过小，容易引起电容器击穿或短路。图4-2 电容量与极板间距离的关系第6页/共64页u为防止击穿或短路，极板间可采用高介电常为防止击穿或短路，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。云母片数的材料（云母、塑料膜等）作介质。云母片的相对介电常数是空气的的相对介电常数是空气的7 7倍，其击穿电压不倍，其击穿电压不小于小于1000 kV/mm1000 kV/mm，而空气的仅为，而空气的仅为3kV/mm3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。因此有了云母片，极板间起始距离

7、可大大减小。同时传感器的输出特性的线性度得到改善。同时传感器的输出特性的线性度得到改善。u一般一般变极距型变极距型电容式传感器的起始电容在电容式传感器的起始电容在2020 30 pF30 pF之间，极板间距离在之间，极板间距离在2525200m200m的的范围内，最大位移应小于间距的范围内，最大位移应小于间距的1/101/10，故在，故在微位移测量中应用最广。微位移测量中应用最广。4.1电容式传感器的工作原理和结构第7页/共64页变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器u上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面被测

8、量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积积S S改变，从而改变电容量。改变，从而改变电容量。图4-3 变面积型电容传感器原理图4.1电容式传感器的工作原理和结构第8页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u当动极板相对于定极板延长度当动极板相对于定极板延长度a a方向平移方向平移 x x时，时，可得：可得：u式中式中 为初始电容。电容相对为初始电容。电容相对变化量为变化量为u很明显，这种形式的传感器其电容量很明显，这种形式的传感器其电容量C C与水与水平位移平位移xx是线性关系，因而其量程不受线性是线性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角范围的限制，适合于测量较

9、大的直线位移和角位移。它的灵敏度为：位移。它的灵敏度为：0r0b xCCCd 0CxCa0rbCsxd 00rCba d 第9页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u下图是电容式角位移传感器原理图。当动极下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移板有一个角位移 时，与定极板间的有效覆盖时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。u当当=0=0时，则时，则图4-4 电容式角位移传感器原理图0000rACd 第10页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构式中：式中： r r 介质相对介电常数；介质相对介电常数； d

10、 d0 0 两极板间距离；两极板间距离； A A0 0 两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。u当当00时，则时，则u从上式可以看出，传感器的电容量从上式可以看出，传感器的电容量C C与角位与角位移移 呈线性关系。呈线性关系。00000(1)rACCCd 第11页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器u下图是一种变极板间介质的电容式传感器用下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。于测量液位高低的结构原理图。图4-5 电容式液位传感器结构原理图第12页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u设被测介质的介电常数为

11、设被测介质的介电常数为 1 1，液面高度为，液面高度为h h，变，变换器总高度为换器总高度为H H，内筒外径为，内筒外径为d d，外筒内径为，外筒内径为D D，则此时变换器电容值为：则此时变换器电容值为：式中：式中： 空气介电常数；空气介电常数；C C0 0 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：u可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h h。111022()2 ()2()2lnlnlnlnlnhhhHhHCCDDDDDddddd 02lnHCDd第13页/共64页4.1电容式传感器的工作原理和结构u变介质型电

12、容传感器有较多的结构型式，可以用变介质型电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。度。u下图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固下图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动，极距为定不动，极距为d d0 0，相对介电常数为，相对介电常数为 r2r2的电介质的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。极板覆盖面积。图4-6 变介质型电容式传感器第14页/共64页4.1

13、电容式传感器的工作原理和结构u传感器总电容量传感器总电容量C C为：为：式中：式中：L L0 0，b b0 0极板长度和宽度；极板长度和宽度；L L 第二种介质进入极板间的长度。第二种介质进入极板间的长度。u若电介质若电介质 ，当，当L=0L=0时，传感器初始电容：时，传感器初始电容： 当介质当介质 进入极间进入极间L L后，引起电容的相对变化为：后，引起电容的相对变化为：u可见电容的变化与电介质可见电容的变化与电介质 的移动量的移动量L L呈线性关呈线性关系。系。120120 00()rrLLLCCCbd010000rL bCd 11r20000(1)rLCCCCCL2r2r第15页/共64

14、页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 由以上分析可知，除变极距型电容传感由以上分析可知，除变极距型电容传感器外，其它几种形式传感器的输入量与输出电器外，其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的，故只讨论变极距容量之间的关系均为线性的，故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。型平板电容传感器的灵敏度及非线性。u由式由式C=CC=C0 0+C+C0 0 d/dd/d0 0可知，电容的相对变化量可知，电容的相对变化量为为: : u当当 时，则上式可按级数展开，故时，则上式可按级数展开，故得得00011CddCdd0/1d d23000001.CddddCdddd第16页/

15、共64页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性u由上式可见，输出电容的相对变化量由上式可见，输出电容的相对变化量C/CC/C与与输入位移输入位移dd之间呈非线性关系。当之间呈非线性关系。当 时，可略去高次项，得到近似的线性：时，可略去高次项，得到近似的线性：u电容传感器的灵敏度为：电容传感器的灵敏度为：u它说明了单位输入位移所引起输出电容相对它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与变化的大小与d d0 0呈反比关系。呈反比关系。0/1d d00CdCd001CCKdd第17页/共64页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性u如果考虑级数展开式中的线性项与二次项，如果考虑级数展开式中的线性

16、项与二次项，则：则：u由此可得出传感器的相对非线性误差由此可得出传感器的相对非线性误差 为：为：u由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙减小起始间隙d d0 0，但非线性误差却随着，但非线性误差却随着d d0 0的减的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。减小非线性误差，大都采用差动式结构。0001(1)CddCdd20()100%100%dddddd第18页/共64页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性u下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意下图是变极距型差动

17、平板式电容传感器结构示意图。图。u当差动式平板电容器动极板位移当差动式平板电容器动极板位移dd时，电容器时，电容器C C0 0的间隙的间隙d d1 1变为变为d d0 0-d-d，电容器，电容器C C2 2的间隙的间隙d d2 2变为变为d d0 0+d+d则则 图4-7 差动平板式电容传感器结构10011CCdd20011CCdd第19页/共64页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性u在在 时，则按级数展开：时，则按级数展开：u电容值总的变化量为：电容值总的变化量为：u电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：u略去高次项，则：略去高次项，则：0/1d d23100001()().dddCCd

18、dd23200001()().dddCCddd3512000022()2().dddCCCCddd24000021()().CdddCddd002CdCd第20页/共64页4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性u如果只考虑如果只考虑电容值相对变化量式电容值相对变化量式中的线性项中的线性项和三次项，则电容式传感器的相对非线性误差和三次项，则电容式传感器的相对非线性误差 近似为近似为u比较以上式子可见，电容传感器做成差动式比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大之后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降低了。降低了。32002 ()100%()100%2()dd

19、dddd第21页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题电容式传感器的特点电容式传感器的特点1 1优点：优点：温度稳定性好温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。和涡流损耗等，易发热产生零漂。结构简单结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保电容式传感器结构简单，易

20、于制造，易于保证证第22页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题 高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。和低压差，也能对带磁工作进行测量。动态响应好动态响应好 电容式传感器带电极板间的静电引力很小电容式传感器带电极板间的静电引力很小( (约约几个几个 ), ),需要的作用能量极小，又由

21、于它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，的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫几兆赫510 N第23页/共64页 兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由兹的频率下工作，特别适用于动态测量。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。工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。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 例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型例如非接触测量回

22、转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。粗糙度等对测量的影响。4.3 特点及应用中存在的问题第24页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题u电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等。加速度、位移等。u可以做得很灵敏

23、，分辨力高，能敏感可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01m 0.01m 甚至更小的位移。甚至更小的位移。u由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。第25页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题2 2缺点缺点输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感限制，一般只有几个皮法到几百皮法

24、，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达交流电源时，输出阻抗高达 。因此。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。610810第26页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题寄生电容影响大寄生电容影响大 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其初始电容量都很小初始电容量都很小( (几几pFpF到几十到几十pF)pF)，而连接传，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容感器和电子

25、线路的引线电缆电容(1(12m2m导线导线可达可达800pF)800pF)、电子线路的杂散电容以及传感器、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的内极板与其周围导体构成的“寄生电容寄生电容”却较却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。器工作很不稳定，影响测量精度。第27页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题应用中存在的问题应用中存在的问题1 1电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路u上节对各种电容传感器的特性分析，都是在

26、上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如下图所示。效电路如下图所示。图4-8 电容式传感器的等效电路第28页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题u图中图中L L包括引线电缆电感和电容式传感器本身包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；的电感；uC C0 0为传感器本身

27、的电容；为传感器本身的电容；uC Cp p为引线电缆、所接测量电路及极板与外界为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；容传感器实用性能的关键之一；uR Rg g为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；和介质损耗；uR Rs s为高湿、高温、高频激励工作时的串联损为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组它包含导线、极板间和金属支座等损耗耗电组它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。电阻。第29页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题u低频时，传感

28、器电容的阻抗非常大，低频时，传感器电容的阻抗非常大，L L和和RsRs的影的影响可忽略；等效电容响可忽略；等效电容C Ce e=C=C0 0+C+Cp p；等效电阻；等效电阻R Re eRRg g 。低频等效电路如下图所示。低频等效电路如下图所示。u高频时，电容的阻抗变小，高频时，电容的阻抗变小，L L和和RsRs的影响不可忽的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中略，漏电的影响可忽略，其中Ce=CCe=C0 0+C+Cp p，而，而ReRsReRs。高频等效电路如下图所示。高频等效电路如下图所示。图4-9 低频等效电路 图4-10 高频等效电路第30页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题u

29、根据高频等效电路，由于电容传感器电容量一根据高频等效电路，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，容抗仍般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而很大，而Rg Rg 和和RsRs很小可以忽略，因此：很小可以忽略，因此：u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 u当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由器的灵敏度由k kg g变为变为k ke e，k ke e与传感器的固有电感与传感器的固有电感( (包括电缆电感包括电缆电感) )有关，且随有关，且随 变化而变化。变化而变化。u在这种情况下，每当改变激励频

30、率或者更换传在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。0201eCCLC2200220/(1)(1)geekCCLCkddLC第31页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题2 2边缘效应边缘效应u以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。的影响。u实际上当极板厚度实际上当极板厚度h h与极距与极距d d之比相对较大时，边之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时对极板半径为缘效应的影响就不能忽略。这时对极板半径为r r的的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：变

31、极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：u边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。产生非线性。20r16ln1( )rrhCrfddd 第32页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题u为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如下图所示。保护环与定极板同心、电的结构，如下图所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。

32、为减小极板厚度，往往不用服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。料，蒸涂一薄层金属作为极板。图4-11 带有保护环的电容传感器原理图第33页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题3 3静电引力静电引力 u电容式传感器两极板间存在静电场，因而有静电容式传感器两极板间存在静电场，因而有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏

33、静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。误差。4 4温度影响温度影响 u环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。扰误差。u这种影响主要有两个方面：这种影响主要有两个方面：第34页/共64页4.3 特点及应用中存在的问题（1 1）温度对结构尺寸的影响）温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材

34、料线胀系数不匹配的情况下，敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。大的温度误差。在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。数，可以满足温度误差补偿要求。（2 2）温度对介质的影响）温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、煤油等，其介电常数的

35、温度系数较大。硅油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。第35页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。不便于传输。u必须借助测量电路检出这一微小电容增量，必须借助测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。流或者频率。u电容转换电路有调频电路、运算放大器式电电容转换电路有调频电路

36、、运算放大器式电路、二极管双路、二极管双T T型交流电桥、脉冲宽度调制电型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。路等。第36页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路调频测量电路调频测量电路u调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。时，振荡器的振荡频率就发生变化。u虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，

37、用此鉴频器可调不易校正，因此加入鉴频器，用此鉴频器可调整地非线性特性去补偿其他部分的非线性，并整地非线性特性去补偿其他部分的非线性，并将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。可以用仪器指示或记录仪记录下来。u调频测量电路原理框图如下图调频测量电路原理框图如下图 所示，所示，CxCx为电为电容变换器。容变换器。第37页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u图中调频振荡器的振荡频率为图中调频振荡器的振荡频率为式中：式中：L L0 0振荡回路的电感；振荡回路的电感；C C 振荡回路的总电容，振荡回路的总电容， 。其。其中，中

38、，C C1 1为振荡回路固有电容；为振荡回路固有电容；C C2 2为传感器引线分为传感器引线分布电容；布电容；而而 为传感器的电容。为传感器的电容。 图4-12 调频式测量电路原理框图12012 ()fL C12xCCCC0 xCCC第38页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u当被测信号为当被测信号为0 0时，时，C =0C =0，则则 ，所以振荡器有一个固有，所以振荡器有一个固有频率频率 ：u当被测信号不为当被测信号不为0 0时，时，C0C0，振荡器频率有相，振荡器频率有相应变化，此时频率为：应变化，此时频率为：u调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可调频电容传感器测量电路具有较高灵

39、敏度，可以测至以测至0.01 m0.01 m级位移变化量。信号输出易于用级位移变化量。信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。可以发送、接收以实现遥测遥控。120CCCC012120012 ()fCCC L0f012120012 ()fffCCCC L第39页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路运算放大器式电路运算放大器式电路u运算放大器的放大倍数运算放大器的放大倍数K K非常大，而且输入阻抗非常大，而且输入阻抗Z Zi i很高。运算放大器的特点可以使其作为电容式很高。运算放大器的特点可以使其作为电容式

40、传感器的比较理想的测量电路。下图是运算放大传感器的比较理想的测量电路。下图是运算放大器式电路原理图。器式电路原理图。图4-13 运算放大器式电路原理图第40页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u图中图中CxCx为电容式传感器，为电容式传感器， 是交流电源电压，是交流电源电压， 是输出信号电压，是输出信号电压， 是虚地点。由运算放大器是虚地点。由运算放大器工作原理可得：工作原理可得：u如果传感器是一只平板电容，则如果传感器是一只平板电容，则Cx =A/dCx =A/d，代入上式有：代入上式有：u上式说明运算放大器的输出电压与极板间距上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离离d d线性关系。

41、运算放大器电路解决了单个变线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。极板间距离式电容传感器的非线性问题。0ixCUUC 0CiUUdA iU0U第41页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥u二极管双二极管双T T型交流电桥又称为二极管型交流电桥又称为二极管T T型网络，型网络，如图所示。如图所示。e e是高频电源，它提供幅值为是高频电源，它提供幅值为UiUi的对称的对称方波，方波，VD1VD1、V V为特性完全相同的两个二极为特性完全相同的两个二极管，管， ，C C1 1、C C2 2为传感器的两个差动电容。为传感器的

42、两个差动电容。当传感器没有输入时，当传感器没有输入时，C C1 1 = C = C2 2。图4-14 二极管双T型交流电桥12DDVV、12R RR=第42页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路电路工作原理如下：电路工作原理如下：u当当e e为正半周时，二极管为正半周时，二极管 导通、导通、 截止，于截止，于是电容是电容C C1 1充电；在随后负半周出现时，电容充电；在随后负半周出现时，电容C C1 1上的电荷通过电阻上的电荷通过电阻R R1 1、负载电阻、负载电阻R RL L放电，放电，流过流过R RL L的电流为的电流为I I1 1。u在负半周内，在负半周内， 导通、导通、 截止，则电

43、容截止，则电容C C2 2充充电；在随后出现正半周时，电；在随后出现正半周时，C C2 2通过电阻通过电阻R R2 2，负载电阻负载电阻R RL L放电，流过放电，流过R RL L的电流为的电流为I I2 2。u根据上面所给的条件，电流根据上面所给的条件，电流I I1 1= I= I2 2，且方向相，且方向相反，在一个周期内流过反，在一个周期内流过R RL L的平均电流为零。的平均电流为零。1DV2DV2DV1DV第43页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u若传感器输入不为若传感器输入不为0 0，则，则C C1 1CC2 2，那么，那么I I1 1II2 2，此时此时R RL L上必定有

44、信号输出，其输出在一个周期内上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为的平均值为: :式中式中f f为电源频率。为电源频率。u当当R RL L已知，上式中已知，上式中 （常数），（常数），则：则：u输出电压输出电压U U0 0不仅与电源电压的幅值和频率有关，不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与而且与T T型网络中的电容型网络中的电容C C1 1和和C C2 2的差值有关。当的差值有关。当电源电压确定后，输出电压电源电压确定后，输出电压U U0 0是电容是电容C C1 1和和C C2 2的函的函数。数。0122(2)(CC )()LLLLiLR RRUI RR U fRR2(2)M()LL

45、LR RRRRR012iUU fM CC第44页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u该电路输出电压较高，当电源频率为该电路输出电压较高，当电源频率为 1.3MHz,1.3MHz,电电源电压源电压Ui= 46 VUi= 46 V时时, ,电容从电容从-7-7+7pF+7pF变化，可以在变化，可以在1M1M负载上得到负载上得到-5-5+5 V+5 V的直流输出电压。的直流输出电压。u电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，故输入电电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当源要求稳定。当UiUi幅值较高，使二极管幅值较高，使二极管 工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。工作在线性区域

46、时，测量的非线性误差很小。u电路的输出阻抗与电容电路的输出阻抗与电容C C1 1、C C2 2无关，而仅与无关，而仅与R R1 1、R R2 2及及R RL L有关，其值为有关，其值为1 1100k100k。输出信号的上升。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于沿时间取决于负载电阻。对于1k1k的负载电阻上的负载电阻上升时间为升时间为 20s20s左右，故可用来测量高速的机械运左右，故可用来测量高速的机械运动。动。12DDVV、第45页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路u下图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通电源下图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通电源

47、后，若触发器后，若触发器Q Q端为高电平端为高电平(U(U1 1) )， 端为低电平端为低电平(0)(0)，则触发器通过则触发器通过R R1 1对对C C1 1充电；当充电；当F F点电位点电位U UF F升到与参升到与参考电压考电压UrUr相等时，比较器相等时，比较器ICIC1 1产生一个脉冲使触发产生一个脉冲使触发器翻转，从而使器翻转，从而使Q Q端为低电平，端为低电平， 端为高电平端为高电平(U(U1 1) )。QQ图4-15 差动脉冲调宽电路第46页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u此时，电容此时，电容C C1 1通过二极管通过二极管D D1 1迅速放电至零，而迅速放电至零，而

48、触发器由触发器由 端经端经R R2 2向向C C2 2充电；当充电；当G G点电位点电位U UG G与参与参考电压考电压UrUr相等时，比较器相等时，比较器ICIC2 2输出一个脉冲使触输出一个脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。发器翻转，从而循环上述过程。u可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容波脉冲的宽度受电容C C1 1、C C2 2调制。当调制。当C C1 1=C=C2 2时，时，各点的电压波形如下图各点的电压波形如下图 (a) (a)所示，所示，Q Q和和 两端电平两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当的脉冲宽

49、度相等，两端间的平均电压为零。当C C1 1C C2 2时，各点的电压波形如下图时，各点的电压波形如下图(b)(b)所示，所示，Q Q、 两端间的平均电压（经一个低通滤波器）为：两端间的平均电压（经一个低通滤波器）为： QQQ120112TTUUTT第47页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路 上式中：上式中：T T1 1和和T T2 2分别为分别为 端和端和 端输出方波端输出方波脉冲的宽度，亦即脉冲的宽度，亦即C C1 1和和C C2 2的充电时间。的充电时间。（a） （b）图4-16 各点电压波形图QQ第48页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u根据电路知识可求出根据电路知识可求

50、出u将这两个式子代入上式，可得将这两个式子代入上式，可得u当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，由上式有：由上式有：11111lnrUTRCUU12221lnrUTR CUU120112CCUUCC010dUUd第49页/共64页4.4 电容式传感器的测量电路u这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源的电压稳定度较高，但比高稳定度求直流电源的电压稳定度较高，但比高稳定度的稳频稳幅交流电源易于做到。的稳频稳幅交流电源易于做到。u用于差动式变面积型电容传感器时有：用于差动式变面积型电容传感器时有：u这种电路不需