传感器技术 第二版 电容式传感器

同学们好！电容元件非电量电容量变化1920~1925电容传感器用于测量70~80年代，应用广泛集成电容传感器CapacitiveSensor第三章电容式传感器§3-1电容式传感器的原理和结构一、基本工作原理Principle&StructureofCapacitiveSensorBasicWorkingPrinciple1、平板电容器FlatCapacitor第三章电容式传感器C——电容量，单位：F法拉——真空介电常数，8.85×10-12F/m0——极板间介质的相对介电常数rA——极板的有效面积（m2）——两平行极板间的距离（m）ACr0变间隙型变面积型变介质型电容式传感器2、圆筒形电容器CylindricCapacitor第三章电容式传感器rRlCrln20二、变间隙型电容传感器121C2C第三章电容式传感器1、基本特性000ACr极板上移：)/1(000000AACCCrr)/1()/1(202000Ar时，当0000000/)/1(CCACr)/1(000000AACCCrr讨论：（1）略去高次项第三章电容式传感器10001CC时，当1/0......13020000CC，00CC20200001ACCKr（2）考虑二次项2、有介电层的变间隙型电容传感器11r2r2第三章电容式传感器0/0/CC0001CC%100%100)(0020fe201S22110rrAC2210rAC11r3、差动式变间隙型电容传感器1212第三章电容式传感器初始位置时02100AC动极板上移0201,1000011CACCC1000021CACCC第三章电容式传感器时，当1/0......13020001CC......13020002CC......22300021CCCC提高一倍略去高次项：002CC002CCS减小%100)(%100)(2)(220030fe三、变面积型电容传感器中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式线性第三章电容式传感器1、板状线位移变面积型l0b00l00000)(llbCCCr00000lbCr00000blClCSr3、筒状线位移变面积型Rr0ll2、角位移变面积型第三章电容式传感器，0ACr00，0)1(00ACCCr)1(0C线性0CC)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1(00llC线性00llCC4、中间极移动式变面积型12l第三章电容式传感器0011C000ACCCr000212lbCCCr0201,2011C00002111lbCCCr2000022lbr135、差动结构变面积型①扇形平板结构ABCROr②柱面型结构rACBORl第三章电容式传感器022000)(rRCCrBCAC0220)(2rRCCCrBCACrRlrCCrBCAC000rRlrCCCrBCAC02四、变介质型电容传感器ACBC12121l0l例3-1:d参考文献：“高静电场下的薄膜测厚技术”《仪表技术与传感器》第三章电容式传感器BACCC1211022111)(llbbl21010blC21212101001llCCCrddAC)(015例3-2电容式液位传感器1l2l0l10r2R21、“用MATLAB语言建立液位电容传感器特性的数学模型”，《传感器技术》参考文献：2、“射频电容式传感器的研究与应用”《传感器技术》第三章电容式传感器)(2)()(2110100rRlnlrRlnll21CCC）（1)(2)(211000rRlnlrRlnl线性1nlmC1、电容式传感器的类型？2、如何改善变间隙型电容传感器的线性？3、变面积型电容传感器的特点？第三章电容式传感器4、如何改善变面积型电容传感器间隙变化的影响？§3-2电容式传感器的测量电路电容式传感器测量电路被测非电量U、I、f电容直放式外差式普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调频电路调幅电路调宽电路MeasuringCircuitofCapacitiveSensor第三章电容式传感器一、调频电路振荡回路固有电容引线分布电容传感器电容FrequencyModulatedCircuit第三章电容式传感器LCf21xCCCC21LCCCfx)(21210LCCCCfx)(2121被测信号调频信号鉴频信号0,0fC第三章电容式传感器二、调幅电路（1）普通交流电桥电路SCUiUABCDxCcCZZkU1、交流电桥电路普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调幅电路AmplitudeModulatedCircuit第三章电容式传感器（2）紧耦合电感电桥iUSCUMLL1xC2xC12312313Z12Z)(ssLZ)(ssLZ)(ppLZ第三章电容式传感器MLLsMLp耦合系数MjZp)1()1()(kLjLMLjMLjZS)1(2213kLjZZSLjZZZpS12iUSCUMLL1xC2xC123LC2S第三章电容式传感器时，LZiSCULCLCCCU1242212422LCLCCCUUSiSC电路谐振点：2/12LC12LCLCS212LC2S（3）变压器电桥SCUiU2iU2iU1C2CLZA第三章电容式传感器CjLjLj11CLLL2112422LCLCCCUUSiSC1C2C2iU2iUALZSCUiU2iU2iU1C2CLZA1C2C2iU2iU1I2I12ALZLI第三章电容式传感器回路12111iLLUIZICj回路22122iLLUIZICj节点A021LIIILiLZCCjjCCUI)(1)(22121第三章电容式传感器LiLZCCjjCCUI)(1)(22121LLiLLSCZCCjZjCCUZIU)(1)(2212121212CCCCUUiSC时，LZ差动变间隙型：001AC002AC线性关系时，LZ02iSCUU（4）双T二极管交流电桥SCUiU1D2D1R2R1C2CLR12aiUtTUU01t2t3t2RLR2C1D2D1R1CiU12a第三章电容式传感器iUtTUU01t2t3tLILILI3t2t1t0t2R1R1C2CLRUU12aLI2R1R1C2CLRUU12aLI第三章电容式传感器2、运算放大器式电路iUscUKxC0Ca0IIxIiUscUKxC0Ca第三章电容式传感器LTLLLLSCRdttitiTRIU0)()(1)()()2(212CCUfRRRRRRLLL)(21CCKUfUSCaiUICjU001axxSCUICjU1IIIx0ixSCUCCU0“变气隙式电容传感器非线性补偿新方法”，《传感器世界》参考文献：第三章电容式传感器aiUICjU001axxSCUICjU1IIIx0变间隙型：ACrx0线性关系irSCUACU00iZK,0,0IUa三、脉冲宽度调制电路0UrU1A2A1R2R1D2DQQRS1C2CABCD双稳触发器滤波器PulseWidthModulatedCircuit第三章电容式传感器跳变触发器翻转0,1QQ0DrcUU1A跳变触发器翻转1,0QQ0CrDUU2A31tttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00UtttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00U21CC21CC第三章电容式传感器32121210UCCCCU第三章电容式传感器121212110UTTTUTTTUUUBA12121UTTTTrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222差动变间隙型：0201，100UU112120UU差动变面积型：112120UAAAAUAUAAU10电容式传感器测量电路被测非电量U、I、f电容直放式外差式普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调频电路调幅电路调宽电路第三章电容式传感器§3-3电容式传感器的应用C——传感器电容L——电感RP——并联损耗电阻RS——串联损耗电阻CP——寄生电容ApplicationofCapacitiveSensorPRPCCsRL高温、高湿、高激励一、等效电路EquivalentCircuit第三章电容式传感器CjLjCje11LCCCe21LCCCCCe21二、应用中存在问题保护环减小极板厚度d极板间隙保护环灵敏度降低、非线性增加ProblemsExistinginApplication1、边缘效应dEdgeEffect第三章电容式传感器2、寄生电容消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。消灭寄生电容的方法：①驱动电缆法等电位屏蔽法xC1ParasiticCapacitance第三章电容式传感器③采用组合式与集成技术②整体屏蔽法UK1xC2xC3R4R第三章电容式传感器3C4C1C三、应用举例1、电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用“电容式板材在线测厚仪”，《仪表技术与传感》参考文献：ApplicationExamples第三章电容式传感器0C1C2C1L2L21CCCxRRBC2、电容式称重传感器FF误差平均效应参考文献：“电容式称重传感器”，《传感器技术》CapacitiveWeighingSensor第三章电容式传感器3、电容式压力传感器P单只变间隙型1P2P差动式压差CapacitivePressureSensor第三章电容式传感器4、电容式加速度传感器惯性原理1C2C1C2C1C2CamCap