電容式傳感器dzh

1、第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器緒緒 論論電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。特點特點：（1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2 2）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。）小的靜電引力和良好的動態(tài)特性。（3 3）本身發(fā)熱影響小。）本身發(fā)熱影響小。（4 4）可進行非接觸測量。）可進行非接觸測量。應用應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。度和成分含

2、量等測量之中。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 工作原理及類型工作原理及類型電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關系原理如圖所示。器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關系原理如圖所示。由物理學可知，當忽略電容器邊由物理學可知，當忽略電容器邊緣效應時，對圖示平行極板電容緣效應時，對圖示平行極板電容器，電容量為器，電容量為0rSSCdd +Srd_第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器可見：在

3、可見：在S、d、三個參量中，改變其中任意一個量，均可三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)( (如位移、壓力、如位移、壓力、液位等液位等) )的變化引起的變化引起S、d、三個參量中之一發(fā)生變化，就可三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感利用相應的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：器可分為以下三大類：(1) (1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器；(2) (2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器；(3) (3) 介質(zhì)變化型電容傳感

4、器。介質(zhì)變化型電容傳感器。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2.2.變面積的電容式傳感器變面積的電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器（2 2）用于角位移測量的電容式傳感器）用于角位移測量的電容式傳感器當動片有一角位移當動片有一角位移 時，兩極板間的覆蓋面積就時，兩極板間的覆蓋面積就改變，從而改變了電容量。改變，從而改變了電容量。 00CCCC 000()(1)SSCCd當轉(zhuǎn)動當轉(zhuǎn)動 角時，角時， 00SCd當當 =0=0時，時，0CCK 靈敏度：靈敏度：角位移式電容傳感器的輸出特角位移式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度性是線性的

5、，靈敏度K K為常數(shù)。為常數(shù)。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.2 4.2 電容式傳感器的特點及設計要點電容式傳感器的特點及設計要點(1)(1)溫度穩(wěn)定性好溫度穩(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，其他因素特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素( (因因本身發(fā)熱本身發(fā)熱極小極小) ) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電影響甚微。而電阻

6、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。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。1.1.電容式傳感器的優(yōu)點電容式傳感器的優(yōu)點(2)(2)結(jié)構(gòu)簡單，適應性強結(jié)構(gòu)簡單，適應性強 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強電容式傳感器結(jié)構(gòu)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，適應能力強，尤其可以承受很磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，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，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

7、對能測超高壓和低壓差，也能對帶磁帶磁工件進行測量。此外傳感器可以工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。4.2.1 4.2.1 電容傳感器的特點電容傳感器的特點第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 （3 3）靜電引力小）靜電引力小 電容傳感器兩極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引電容傳感器兩極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關。一般說來，這種靜電引力是很小的，因此只有對推極間距離有

8、關。一般說來，這種靜電引力是很小的，因此只有對推動力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。動力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。 (4)(4)動態(tài)響應好動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個10-10-5N5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很），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，因此其小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾能在幾MHzMHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。的頻率下工作，特

9、別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)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。測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (5) (5)可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應可以實現(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, ,電容傳感器可以電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時完成測量任務。當采用非接觸測量時, ,電容式傳感器具有平均效電容式傳感器具有平均效應應, ,可以減小工件

10、表面粗糙度等對測量的影響?？梢詼p小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需極小，因此所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受靈敏，分辨力非常高，能感受0.0010.001m m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (1) (1)輸出阻抗高，負載能力差輸出阻抗高，負

11、載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百到幾百pFpF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達交流電源時，輸出阻抗高達10106 610108 8。因此傳感器負載能力差，。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。容抗大還要求傳須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極

12、高（幾十感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MM以上），否則絕緣部分將以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。 2.2.電容式傳感器的缺點電容式傳感器的缺點第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 (3) (

13、3)輸出特性非線性輸出特性非線性 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(jié)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(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了構(gòu)來改善，但不可能完全消除。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。加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成電路的高速發(fā)展，使隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器

14、的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。面大有發(fā)展前途的傳感器。 (2) (2)寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l(l2m2m導線可達導線可達800pF)800pF)、測量電路的、測量電路的雜散電容雜散電容以及以及傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成的電容的電容等等“寄生電容寄生電容”卻較大，降低了

15、傳感器的靈敏度；這卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容些電容( (如電纜電容如電纜電容) )常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，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、接法有要求使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.24.2電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖電容式傳感器的全等效電路如圖所示。圖中，中，L為包括引線電纜的電感和電容式傳感為

16、包括引線電纜的電感和電容式傳感器本身的電感；器本身的電感；r包括引線電阻、極板電阻和包括引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；金屬支架電阻；Rg是極間等效漏電阻，包含是極間等效漏電阻，包含極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；C0為傳感器本身為傳感器本身的電容；的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容。板與外界所形成的總寄生電容。電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，電容式傳感器電容量一般很小，容抗很大，而工作頻率一般較高，故略去圖中電阻的

17、影響，電容式傳感器的等效阻抗為故略去圖中電阻的影響，電容式傳感器的等效阻抗為11CeZj Lj Cj C式中，式中，C C= =C CP P+ +C C0 0第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器21eCCLC則等效電容為則等效電容為211eeCCCCLC實際電容相對變化為實際電容相對變化為22/111eeeCCC CKKddLCLC因此實際的靈敏度為因此實際的靈敏度為可見電容傳感器的等效靈敏度可見電容傳感器的等效靈敏度K Ke e與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感L L有關有關，且隨，且隨變化而變化。因此，在實際應用前必須要進行標定變化而變化。因此，在實際應用前必須要進行標定，否則將會引

18、入測量誤差。，否則將會引入測量誤差。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器C C1 1C C2 2 時時 C C1 1 C C2 2 時時 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.54.5電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用1 1電容式接近開關電容式接近開關 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器齊平式齊平式 非齊平式非齊平式電容式接近開關外形電容式接近開關外形非齊平式非齊平式接近開關的安裝接近開關的安裝非齊平式安裝時，傳感器非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。高于安裝支架，易損壞。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器第第4 4章章

19、電容式傳感器電容式傳感器圖示為電容開關在工程中的一個應用。要求對某個工件進行加圖示為電容開關在工程中的一個應用。要求對某個工件進行加工，工件用夾具固定在移動工作臺上，工作臺由一個主電機拖工，工件用夾具固定在移動工作臺上，工作臺由一個主電機拖動，作來回往復運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動。現(xiàn)用兩個電容開關來動，作來回往復運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動?，F(xiàn)用兩個電容開關來決定工作臺何時換向。當決定工作臺何時換向。當“A A”號傳感器有輸出信號時，使主電號傳感器有輸出信號時，使主電機停止反轉(zhuǎn)，同時，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向右運動；機停止反轉(zhuǎn)，同時，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向右運動；當當“B B” 號傳感器有輸出信號時，使主電機停止正轉(zhuǎn)，同時，接號傳感器有輸出信號時，使主電機停止正轉(zhuǎn)，同時，接通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向左運動。這樣，就實現(xiàn)了工作通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向左運動。這樣，就實現(xiàn)了工作臺的行程限位。臺的行程限位。第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器2.2. 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m m處。當油箱處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量中的油位降低時，電容傳感器的電容量C Cx x減小，電橋失去平衡，減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶