傳感器10-11-33-電容傳感器

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1、Sensor & Detecting Technology 2 主 要 內(nèi) 容 3.1 自 感 式 傳 感 器 3.2 差 動 變 壓 器 3.3 電 容 傳 感 器 3.4 電 渦 流 式 傳 感 器第三章 變阻抗式傳感器原理與應用 3 3.3 電 容 傳 感 器電 容 式 傳 感 器 是 把 被 測 非 電 量 的 變 化 轉(zhuǎn) 換 成 電 容 量 變 化 的一 種 傳 感 器 。電 容 式 傳 感 器 結 構 簡 單 、 體 積 小 、 分 辨 率 高 、 測 量 精 度 高 、具 有 平 均 效 應 、 可 非 接 觸 測 量 、 能 在 高 溫 、 輻 射 、 強 烈 振 動等 惡 劣

2、 條 件 下 工 作 。電 容 式 傳 感 器 不 但 廣 泛 用 于 位 移 、 振 動 、 角 度 、 加 速 度 等機 械 量 的 精 密 測 量 ， 而 且 還 逐 步 地 擴 大 到 用 于 壓 力 、 差 壓 、液 位 、 物 位 或 成 份 含 量 等 方 面 的 測 量 。3.3 電 容 式 傳 感 器 4 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3.6

3、 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 式 傳 感 器 5 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 1. 工 作 原 理 及 類 型 2. 變 極 距 型 電 容 傳 感 器 3. 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 4. 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 6 什 么 是 電 容 器 ？電 容 器 有 兩 個 用 介 質(zhì) （ 固 體 、 液 體 或 氣 體 ） 或 真 空 隔 開 的電 導 體 構 成 。 電 容 導 體 上 的 電 荷導 體 之 間 的 電 壓 差QC V3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3

4、電 容 式 傳 感 器 7 1. 工 作 原 理 及 類 型 0 r SSC d d S 極 板 相 對 覆 蓋 面 積 ； d 極 板 間 距 離 ； r相 對 介 電 常 數(shù) ； 0真 空 介 電 常 數(shù) （ 8.85pF/m） ； 電 容 極 板 間 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) 。 d S 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3 電 容 式 傳 感 器 8 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理0 r SSC d d d、 S和 r中 的 某 一 項 或 幾 項 有 變 化 時 ， 就 改 變 了 電 容d或 S的 變 化 可 以 反 映 線 位 移 或

5、角 位 移 的 變 化 ， 也 可 以 間 接反 映 壓 力 、 加 速 度 等 的 變 化 ； r 的 變 化 則 可 反 映 液 面 高 度 、 材 料 厚 度 等 的 變 化 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 d S 93.3 電 容 式 傳 感 器 103.3 電 容 式 傳 感 器 113.3 電 容 式 傳 感 器 12 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理變 極 距 型 : (a)、 (e) 變 面 積 型 : (b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g) （ h） 變 介 電 常 數(shù) 型 : （ i） (l) 3.3 電 容 式 傳 感 器 13 3.3.1

6、電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理2. 變 極 距 型 電 容 傳 感 器 d A:可 動 極 板B:固 定 極 板d sC r00 20000 1 )1(1 ddddCddCdd sCCC r 非 線 性 關 系 若 d/d1時 ， 則 上 式 可 簡 化 為 ddCCC 00 若 極 距 縮 小 d 最 大 位 移 應 小 于 間 距 的 1/10 初 始 電 容3.3 電 容 式 傳 感 器 14 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理3. 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 15 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理3. 變

7、 面 積 型 電 容 傳 感 器 當 動 極 板 相 對 于 定 極 板 沿 著 長 度方 向 平 移 時 ， 其 電 容 變 化 量 化 為 d xb d bxadab CCC r rr 0 00 0 )(- C與 x間 呈 線 性 關 系 3.3 電 容 式 傳 感 器 16 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理電 容 式 角 位 移 傳 感 器 0 000 d sC r 0 0 00(1 ) (1 )rsC Cd 當 =0時 當 0時傳 感 器 電 容 量 C與 角 位 移 間呈 線 性 關 系 3. 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 17

8、 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理4. 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器在 電 容 器 兩 極 板 間 插 入 不 同 介 質(zhì) 時 ， 電 容 器 的 電 容 量 也 就 不 同 。變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 式 傳 感 器 大 多 用 來 測 量 電 介 質(zhì) 的 厚 度 、 液 位 ，還 可 根 據(jù) 極 間 介 質(zhì) 的 介 電 常 數(shù) 隨 溫 度 、 濕 度 改 變 而 改 變 來 測 量介 質(zhì) 材 料 的 溫 度 、 濕 度 等 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 18 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3 電 容 式 傳 感 器 19

9、 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理4. 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器相 對 介 電 常 數(shù) 的 電 介 質(zhì) 以 不 同 深 度 插 入 電 容 器 2r 0 2010021 )( d LLLbCCC rr 3.3 電 容 式 傳 感 器 20 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理當 L=0時 ， 傳 感 器 的 初 始 電 容 0 000 00100 dbLd bLC r 當 被 測 電 介 質(zhì) 進 入 極 板 間 L深 度 后 ， 引 起 電 容 相 對 變 化 量 為 020 00 )1( L LCCCCC r 電 容 變 化 量 與 電 介

10、質(zhì) 移 動 量 L呈 線 性 關 系 0 2010021 )( d LLLbCCC rr 11 r 3.3 電 容 式 傳 感 器 21 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理4. 變 介 電 常 數(shù) 型 電 容 傳 感 器 dDhCdDhdDHdD hHdDhC ln )(2ln )(2ln2ln )(2ln2 1011 dDHC ln20 初 始 電 容 電 容 式 液 位 傳 感 器 電 容 與 液 位 的 關 系 為 ： 3.3 電 容 式 傳 感 器 22 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3

11、電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 23 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能1. 靜 態(tài) 靈 敏 度 被 測 量 緩 慢 變 化 時 ， 傳 感 器 電 容 變 化 量 與 引 起 其 變 化 的被 測 量 變 化 之 比 。2. 非 線 性 3.3 電 容 式 傳 感 器 24 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能1. 靜 態(tài) 靈 敏 度 變 極

12、距 型 ， 其 靜 態(tài) 靈 敏 度 為 0 1( )1 /g CCk d d d d / 1d d 將 上 式 展 開 成 泰 勒 級 數(shù) 得 2 3 40 1g C d d d dk d d d d d d kgd過 小 易 導 致 電 容 器 擊 穿 ， 在 極 間 加 一 層 云 母 片 或 塑 料 膜 來改 善 電 容 器 耐 壓 性 能 dd sCCC r 00 3.3 電 容 式 傳 感 器 25 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能平 板 式 變 面 積 型增 加 極 板 寬 度 、 減 小 極 板 間 距 可 提 高 靜 態(tài) 靈 敏 度 ；極 板 起 始 遮 蓋

13、長 度 a的 大 小 與 靈 敏 度 無 關 ！ d xb d bxadab CCC r rr 0 00 0 )(- d bxC r0其 靜 態(tài) 靈 敏 度 為 3.3 電 容 式 傳 感 器 26 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能2. 非 線 性變 極 距 型 0 0 11 /d dC C Cd d d d d d/ 1d d 將 上 式 展 開 成 泰 勒 級 數(shù) 得 2 30 1d d d dC C d d d d 非 線 性3.3 電 容 式 傳 感 器 27 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能2. 非 線 性 .)()(1/1 1 302000001

14、 ddddddCddCC .)()(1/1 1 302000002 ddddddCddCC 3 51 2 0 0 0 02 2( ) 2( ) .d d dC C C C d d d 非 線 性 得 到 了 改 善靈 敏 度 ： 0 02C dC d 3 50 0 0 0 02 2( ) 2( ) . 2C d d d dC d d d d 3.3 電 容 式 傳 感 器 28 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3

15、.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 傳 感 器3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 29 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點1、 特 點 優(yōu) 點 :（ 1） 溫 度 穩(wěn) 定 性 好傳 感 器 的 電 容 值 一 般 與 電 極 材 料 無 關 ， 僅 取 決 于 電 極 的 幾何 尺 寸 ， 且 空 氣 等 介 質(zhì) 損 耗 很 小 ， 因 此 只 要 從 強 度 、 溫 度系 數(shù) 等 機 械 特 性 考 慮 ， 合 理 選 擇 材 料 和 幾 何 尺 寸 即 可 ， 其他

16、因 素 (因 本 身 發(fā) 熱 極 小 ) 影 響 甚 微 。 而 電 阻 式 傳 感 器 有 電 阻 ，供 電 后 產(chǎn) 生 熱 量 ； 電 感 式 傳 感 器 存 在 銅 損 、 渦 流 損 耗 等 ，引 起 本 身 發(fā) 熱 產(chǎn) 生 零 漂 。1. 電 容 傳 感 器 的 特 點 3.3 電 容 式 傳 感 器 30 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點（ 2） 結 構 簡 單 ， 適 應 性 強電 容 式 傳 感 器 結 構 簡 單 ， 易 于 制 造 。 能 在 高 低 溫 、 強 輻 射 及強 磁 場 等 各 種 惡 劣 的 環(huán) 境 條 件 下 工 作 ， 適

17、應 能 力 強 ， 尤 其 可以 承 受 很 大 的 溫 度 變 化 ， 在 高 壓 力 、 高 沖 擊 、 過 載 等 情 況 下都 能 正 常 工 作 ， 能 測 超 高 壓 和 低 壓 差 ， 也 能 對 帶 磁 工 件 進 行測 量 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 31 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點1、 特 點 （ 3） 動 態(tài) 響 應 好電 容 式 傳 感 器 由 于 極 板 間 的 靜 電 引 力 很 小 ， 需 要 的 作 用 能 量極 小 ， 又 由 于 它 的 可 動 部 分 可 以 做 得 很 小 很 薄 ， 即 質(zhì) 量 很 輕 ，因

18、此 其 固 有 頻 率 很 高 ， 動 態(tài) 響 應 時 間 短 ， 能 在 幾 MH z的 頻 率下 工 作 ， 特 別 適 合 動 態(tài) 測 量 。 又 由 于 其 介 質(zhì) 損 耗 小 可 以 用 較高 頻 率 供 電 ， 因 此 系 統(tǒng) 工 作 頻 率 高 。 它 可 用 于 測 量 高 速 變 化的 參 數(shù) ， 如 測 量 振 動 、 瞬 時 壓 力 等 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 32 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點靜 電 力 的 計 算 電 容 C中 儲 存 的 能 量 為 ：對 于 平 板 電 容 器 ， 使 極 板 移 動 所 需 的 力 F

19、約 為2 2CVE 2221 VdSdEF 10v1cm,cm10 2 VdS ， nN43.4v10cm1 cm102pF/m5.88 222 F3.3 電 容 式 傳 感 器 33 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點1、 特 點 （ 4） 可 以 實 現(xiàn) 非 接 觸 測 量 、 具 有 平 均 效 應當 被 測 件 不 能 允 許 采 用 接 觸 測 量 的 情 況 下 ， 電 容 傳 感 器 可 以完 成 測 量 任 務 。 當 采 用 非 接 觸 測 量 時 ， 電 容 式 傳 感 器 具 有 平均 效 應 ,可 以 減 小 工 件 表 面 粗 糙 度 等

20、對 測 量 的 影 響 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 34 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點缺 點 :(1) 輸 出 阻 抗 高 、 負 載 能 力 差傳 感 器 的 電 容 量 受 其 電 極 幾 何 尺 寸 等 限 制 ， 一 般 為 幾 十 到 幾 百皮 法 ， 使 傳 感 器 的 輸 出 阻 抗 很 高 ， 傳 感 器 負 載 能 力 差 易 受 外 界干 擾 影 響 。(2) 輸 出 特 性 非 線 性變 極 距 型 電 容 傳 感 器 的 輸 出 特 性 是 非 線 性 的 ， 雖 可 采 用 差 動 結構 來 改 善 ， 但 不 可 能 完 全

21、 消 除 。 其 他 類 型 的 電 容 傳 感 器 只 有 忽略 了 電 場 的 邊 緣 效 應 時 ， 輸 出 特 性 才 呈 線 性 。 否 則 邊 緣 效 應 所產(chǎn) 生 的 附 加 電 容 量 將 與 傳 感 器 電 容 量 直 接 疊 加 ， 使 輸 出 特 性 非 線 性 。3.3 電 容 式 傳 感 器 35 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點缺 點 :(3) 寄 生 電 容 影 響 大 傳 感 器 的 初 始 電 容 量 很 小 ， 而 其 引 線 電 纜 電 容 (l 2m導 線 可 達800pF)、 測 量 電 路 的 雜 散 電 容 以 及 傳

22、 感 器 極 板 與 其 周 圍 導 體 構成 的 電 容 等 “ 寄 生 電 容 ” 卻 較 大 ， 降 低 了 傳 感 器 的 靈 敏 度 ； 這 些 電 容 (如 電 纜 電 容 )常 常 是 隨 機 變 化 的 ， 將 使 傳 感 器 工 作不 穩(wěn) 定 ， 影 響 測 量 精 度 ， 其 變 化 量 甚 至 超 過 被 測 量 引 起 的 電 容變 化 量 ， 致 使 傳 感 器 無 法 工 作 。 因 此 對 電 纜 選 擇 、 安 裝 、 接 法有 要 求 . 3.3 電 容 式 傳 感 器 36 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點2、 設 計 要 點

23、低 成 本 、 高 精 度 、 高 分 辨 率 、 穩(wěn) 定 可 靠 和 高 的 頻 率 響 應減 小 環(huán) 境 溫 度 濕 度 等 變 化 所 產(chǎn) 生 的 影 響 ， 保 證 絕 緣 材 料 的絕 緣 性 能消 除 和 減 小 邊 緣 效 應 消 除 和 減 小 寄 生 電 容 的 影 響防 止 和 減 少 外 界 干 擾 盡 可 能 采 用 差 動 式 電 容 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 37 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點2、 設 計 要 點 (1) 減 小 溫 度 誤 差 、 保 證 高 的 絕 緣 性 能 選 材 、 結 構 、 加 工 工

24、 藝電 極 ： 溫 度 系 數(shù) 低 的 鐵 鎳 合 金 、 陶 瓷 或 石 英 上 噴 鍍 金 或 銀 （ 電極 可 做 得 薄 ， 減 小 邊 緣 效 應 ）電 極 支 架 ： 選 用 溫 度 系 數(shù) 小 和 幾 何 尺 寸 長 期 穩(wěn) 定 性 好 ， 并 具 有高 絕 緣 電 阻 、 低 吸 潮 性 和 高 表 面 電 阻 的 材 料 ， 例 如 石 英 、 云 母 、人 造 寶 石 及 各 種 陶 瓷 等 做 支 架 電 介 質(zhì) ： 空 氣 或 云 母 加 工 工 藝 ： 傳 感 器 密 封 ， 用 以 防 塵 、 防 潮 結 構 ： 采 用 差 動 結 構3.3 電 容 式 傳 感 器

25、 38 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點2、 設 計 要 點 (2) 消 除 和 減 小 邊 緣 效 應 邊 緣 效 應 危 害 ： 靈 敏 度 降 低 產(chǎn) 生 非 線 性減 小 邊 緣 效 應 ： 減 小 極 間 距 ， 使 電 極 直 徑 與 間 距 比 很 大但 易 產(chǎn) 生 擊 穿 并 有 可 能 限 制 測 量 范 圍 d A:可 動 極 板 B:固 定 極 板3.3 電 容 式 傳 感 器 39 (2) 消 除 和 減 小 邊 緣 效 應 可 在 結 構 上 增 設 等 位 環(huán) 來 消 除 邊 緣 效 應 。等 位 環(huán) 3與 電 極 2在 同 一 平 面

26、 上 并 將 電 極 2包 圍 ， 且 與 電 極 2絕緣 但 等 電 位 ， 這 就 能 使 電 極 2的 邊 緣 電 力 線 平 直 ， 電 極 1和 2之間 的 電 場 基 本 均 勻 ， 而 發(fā) 散 的 邊 緣 電 場 發(fā) 生 在 等 位 環(huán) 3外 周 不影 響 傳 感 器 兩 極 板 間 電 場 。 帶 有 等 位 環(huán) 的 平 板 電 容 傳 感 器 結 構 原 理 圖均 勻 電 場1 23 3 邊緣電場 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3 電 容 式 傳 感 器 40 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點2、 設 計 要

27、 點 (3) 消 除 和 減 小 寄 生 電 容 的 影 響寄 生 電 容 與 傳 感 器 電 容 相 并 聯(lián) ， 影 響 傳 感 器 靈 敏 度 ， 而 它 的變 化 則 為 虛 假 信 號 影 響 儀 器 的 精 度 ， 必 須 消 除 和 減 小 它 。 可采 用 方 法 ： （ a） 增 加 傳 感 器 原 始 電 容 值（ b） 集 成 化引 線 電 纜 電 容 、 測 量 電 路 的 雜 散 電 容 以 及 傳 感 器 極 板 與 其 周 圍導 體 構 成 的 電 容 等 -“寄 生 電 容 ” 3.3 電 容 式 傳 感 器 41 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和

28、設 計 要 點2、 設 計 要 點 （ a） 增 加 傳 感 器 原 始 電 容 值 采 用 減 小 極 片 或 極 筒 間 的 間 距 (平 板 式 間 距 為 0.20.5mm，圓 筒 式 間 距 為 0.15mm)， 增 加 工 作 面 積 或 工 作 長 度 來 增 加 原始 電 容 值 ， 但 受 加 工 及 裝 配 工 藝 、 精 度 、 示 值 范 圍 、 擊 穿電 壓 、 結 構 等 限 制 。 一 般 電 容 值 變 化 在 10-3103 pF范 圍內(nèi) ， 相 對 值 變 化 在 10-61范 圍 內(nèi) 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 42 3.3.3 電 容 傳 感 器

29、 的 特 點 和 設 計 要 點（ b） 集 成 化 將 傳 感 器 與 測 量 電 路 本 身 或 其 前 置 級 裝 在 一 個 殼 體 內(nèi) ， 省 去傳 感 器 的 電 纜 引 線 。 這 樣 ， 寄 生 電 容 大 為 減 小 而 且 易 固 定 不變 ， 使 儀 器 工 作 穩(wěn) 定 。但 這 種 傳 感 器 因 電 子 元 件 的 特 點 而 不 能 在 高 、 低 溫 或 環(huán) 境 差的 場 合 使 用 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 43 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點(4) 防 止 和 減 小 外 界 干 擾當 外 界 干 擾 (如 電 磁 場

30、 )在 傳 感 器 上 和 導 線 之 間 感 應 出 電 壓 并與 信 號 一 起 輸 送 至 測 量 電 路 時 就 會 產(chǎn) 生 誤 差 。干 擾 信 號 足 夠 大 時 ， 儀 器 無 法 正 常 工 作 。此 外 ， 接 地 點 不 同 所 產(chǎn) 生 的 接 地 電 壓 差 也 是 一 種 干 擾 信 號 ，也 會 給 儀 器 帶 來 誤 差 和 故 障 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 44 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點(4) 防 止 和 減 小 外 界 干 擾防 止 和 減 小 干 擾 的 措 施 歸 納 為 ：屏 蔽 和 接 地 。 傳 感 器

31、殼 體 ； 導 線 ； 傳 感 器 與 測 量 電 路 前 置 級等 。增 加 原 始 電 容 量 ， 降 低 容 抗 。導 線 和 導 線 之 間 要 離 得 遠 ， 線 要 盡 可 能 短 ， 最 好 成 直 角 排 列 ，若 必 須 平 行 排 列 時 ， 可 采 用 同 軸 屏 蔽 電 纜 線 。盡 可 能 一 點 接 地 ， 避 免 多 點 接 地 。 地 線 用 粗 的 良 導 體 或 寬 印制 線 3.3 電 容 式 傳 感 器 45 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點2、 設 計 要 點 (5) 差 動 技 術 的 運 用減 小 非 線 性 誤 差提

32、 高 傳 感 器 靈 敏 度 3.3 電 容 式 傳 感 器 46 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 47 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路r C0CPRgLL包 括 引 線 電 纜 電 感 和 電 容 式 傳 感 器 本 身 的 電 感 ；r由 引

33、 線 電 阻 、 極 板 電 阻 和 金 屬 支 架 電 阻 組 成 ；C 0為 傳 感 器 本 身 的 電 容Cp為 引 線 電 纜 、 所 接 測 量 電 路 及 極 板 與 外 界 所 形 成 的 總 寄 生 電 容Rg是 極 間 等 效 漏 電 阻3.3 電 容 式 傳 感 器 48 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路r C0CPRgL低 頻 等 效 電 路 傳 感 器 電 容 的 阻 抗 非 常 大L和 r的 影 響 可 忽 略等 效 電 容 C=C0+Cp等 效 電 阻 ReRg CRe 3.3 電 容 式 傳 感 器 49 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電

34、路r C0CPRgL高 頻 等 效 電 路 電 容 的 阻 抗 變 小 ， L和 r的 影 響 不 可 忽 略 ， 漏 電 的 影 響 可 忽 略 ，其 中 C=C0+Cp， 而 rer re CL 3.3 電 容 式 傳 感 器 50 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路高 頻 等 效 電 路 RCjLjCj e 11 re CLLCCC e 21 由 于 電 容 傳 感 器 電 容 量 一 般 都 很 小 ， 電 源 頻 率 即 使 采 用 幾 兆 赫 ，容 抗 仍 很 大 ， 而 R很 小 可 以 忽 略 ， 因 此 傳 感 器 等 效 電 容3.3 電 容 式 傳 感 器 5

35、1 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路高 頻 等 效 電 路 此 時 電 容 傳 感 器 的 等 效 靈 敏 度 為 2222 )1()1/( LCkd LCCdCk gee 當 電 容 式 傳 感 器 的 供 電 電 源 頻 率 較 高 時 ， 傳 感 器 的 靈 敏 度 由kg變 為 ke， ke與 傳 感 器 的 固 有 電 感 （ 包 括 電 纜 電 感 ） 有 關 ，且 隨 變 化 而 變 化 。 LCCCe 21 3.3 電 容 式 傳 感 器 52 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3 電

36、容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 53 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 （ 1） 調(diào) 頻 電 路 （ 2） 運 算 放 大 器 電 路 （ 3） 雙 T型 電 橋 電 路 （ 4） 脈 寬 調(diào) 制 電 路 3.3 電 容 式 傳 感 器 54 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路(1) 調(diào) 頻 電 路 )(2 12 1 01 CCCCLLCf i 高 頻

37、振 蕩 器 的LC震 蕩 回 路 鑒 頻 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 55 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路當 被 測 信 號 為 零 時 ， C=0， 振 蕩 器 有 一 個 固 有 振 蕩 頻 率 f0，)(2 1 010 CCCLf i 當 被 測 信 號 不 為 零 時 ， c0， 此 時 頻 率 為 ffCCCCLf i 001 )(2 1具 有 較 高 的 靈 敏 度 ， 可 測 至 0.01m級 位 移 變 化 量易 于 用 數(shù) 字 儀 器 測 量 ， 并 與 計 算 機 通 訊 ， 抗 干 擾 能 力 強 3.3 電 容 式 傳 感 器 56 3.3.5

38、電 容 傳 感 器 測 量 電 路(2) 運 算放大器電 路uC -A Cx u0運 算 放 大 器 式 電 路 原 理 圖 Cx是 傳 感 器 電 容 ，作 為 電 路 的 反 饋 元 件C是 固 定 電 容u 0是 輸 出 電 壓 信 號 3.3 電 容 式 傳 感 器 57 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路由 運 算 放 大 器 工 作 原 理 可 知 u j Cj C u CC ux x0 11 / ( )/ ( ) dSC x /) ( dSuCu 0 從 原 理 上 保 證 了 變 極 距 型 電 容 式 傳 感 器 的 線 性前 提 ： 假 設 放 大 器 開 環(huán)

39、放 大 倍 數(shù) A=， 輸 入 阻 抗 Zi=因 此 仍 然 存 在 一 定 的 非 線 性 誤 差 ， 但 一 般 A和 Zi足 夠 大 ， 誤 差 很 小 。uC -A Cx u03.3 電 容 式 傳 感 器 58 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路(3)雙 T型電 橋 電 路 U 0iC1 iC2 U E D 1D 2 RRC 1 C 2 R L. . . . D1、 D2為 特 性 完 全 相 同 的兩 個 二 極 管R1 R2 R；C1、 C2為 傳 感 器 的 兩 個 差動 電 容當 傳 感 器 沒 有 位 移 輸 入 時 ，C1 C2， RL在 一 個 周 期 內(nèi)流

40、 過 的 平 均 電 流 為 零 ， 無 電壓 輸 出 。當 C1或 C2變 化 時 ， R L上 產(chǎn)生 的 平 均 電 流 將 不 再 為 零 ，因 而 有 信 號 輸 出 。3.3 電 容 式 傳 感 器 59 正 負 半 周 分 析 ：正 半 周 ： C1充 電 ， 電 流 順 時 針 ； C2放 電 ， 電流 逆 時 針負 半 周 ： C2充 電 ， 電 流 逆 時 針 ； C1放 電 ， 電流 順 時 針若 C1 = C2， 則 平 均 電 流 0， 若 C1 C2， 則 RL有信 號 輸 出 LTLLo RdttItITRIU )()(1 0 21 )()( )2( 212 CCf

41、URRR RRR iLL L )( 21 CCMfUi 幾點說明：n該電路電源頻率Mhz級，電源電壓幾十伏，電源的穩(wěn)定性對輸出直接產(chǎn)生影響。n當電容以PF級變化時，輸出以V級變化。 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 3.3 電 容 式 傳 感 器 60 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路(4)脈 寬 調(diào) 制 電 路利 用 對 傳 感 器 電 容 的 充 放 電 使 電 路 輸 出 脈 沖 的 寬 度 隨 傳感 器 電 容 量 變 化 而 變 化 。通 過 低 通 濾 波 器 就 能 得 到 對 應 被 測 量 變 化 的 直 流 信 號 。 3.3 電 容 式 傳 感

42、 器 61 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路差 動 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 原 理 圖 3.3 電 容 式 傳 感 器 62 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路差 動 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 原 理 圖 3.3 電 容 式 傳 感 器 63 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路uAB經(jīng) 低 通 濾 波 后 ， 就 可 得 到 一 直 流 電 壓 U0為 121 21121 2121 10 UTT TTUTTTUTT TUUU BA UA、 UBA點 和 B點 的 矩 形 脈 沖 的 直 流 分 量 ； T 1、 T2 分 別 為 C1和 C2的 充 電 時

43、間 ； U1觸 發(fā) 器 輸 出 的 高 電 位 。3.3 電 容 式 傳 感 器 64 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路C1、 C2的 充 電 時 間 T R C UU U r1 1 1 11 lnT R C UU U r2 2 2 11 ln式 中 Ur觸 發(fā) 器 的 參 考 電 壓 設 R1=R2=R， 則 得 U C CC C U r0 1 21 2 結 論 ： 輸 出 的 直 流 電 壓 與 傳 感 器 兩 電 容 差 值 成 正 比 3.3 電 容 式 傳 感 器 65 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路設 電 容 C1和 C2的 極 間 距 離 和 面 積

44、 分 別 為 d1、 d2和 S1、 S2 差 動 變 極 距 型差 動 變 面 積 型 2 10 2 1 Ed dU Ud d EUSS SSU 12 210 特 性 ： 差 動 脈 沖 調(diào) 寬 電 路 能 適 用 于 任 何 差 動 式 電 容 式 傳 感 器 具 有 理 論 上 的 線 性 特 性 3.3 電 容 式 傳 感 器 66 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量

45、電 路 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用3.3 電 容 式 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 67 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用(1) 電 容 式 差 壓 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 68 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用(1) 電 容 式 差 壓 傳 感 器 P2玻 璃 盤鍍 金 層金 屬膜 片C 2電 極 引 線p1 C1結 構 簡 單 、 靈 敏 度 高 、 響 應 速 度 快 (約 100ms)， 能 測 微 小 壓 差 (0 0.75Pa)、 真 空 或 微 小 絕 對 壓 力 ， 需 把 膜 片 的 一 側(cè) 密 封 并 抽

46、 成 高 真 空 (10-5Pa)即 可 轉(zhuǎn) 換 電 路3.3 電 容 式 傳 感 器 69 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用(2)電 容 式 加 速 度 傳 感 器當 傳 感 器 殼 體 隨 被 測 對 象 在 垂 直 方 向 上 作 直 線 加 速 運 動 時 ， 質(zhì)量 塊 在 慣 性 空 間 中 相 對 靜 止 ， 而 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 極 距 發(fā) 生 變 化 ， 一 個 增 加 ， 一 個 減 小 ， 從 而 使 C1、 C2產(chǎn)生

47、大 小 相 等 ， 符 號 相 反 的 增 量 ， 此 增 量 正 比 于 被 測 加 速 度 。 兩 個 固 定 極 板 與 殼 體 絕 緣 ， 中間 有 一 用 彈 簧 片 支 撐 的 質(zhì) 量 塊， 此 質(zhì) 量 塊 的 兩 個 端 面 經(jīng) 過 磨平 拋 光 后 作 為 可 動 極 板 。 3.3 電 容 式 傳 感 器 70 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用(3)電 容 式 振 動 位 移 傳 感 器 3.3 電 容 式 傳 感 器 71 72 3.3.1 電 容 傳 感 器 的 工 作 原 理 （ 掌 握 ） 3.3.2 電 容 傳 感 器 的 主 要 性 能 （ 掌 握 ） 3.3.3 電 容 傳 感 器 的 特 點 和 設 計 要 點 （ 了 解 ） 3.3.4 電 容 傳 感 器 等 效 電 路 （ 理 解 ） 3.3.5 電 容 傳 感 器 測 量 電 路 （ 掌 握 ） 3.3.6 電 容 傳 感 器 的 應 用 （ 了 解 ）3.3 電 容 傳 感 器3.3 電 容 式 傳 感 器 小 結 3.3 電 容 式 傳 感 器