第4章--电容式传感器剖析课件

传感器原理与应用传感器原理与应用第4章 电容式传感器 电电容容式式传传感感器器是是把把被被测测量量的的变变化化转转换换成成电电容量变化的一种传感器。容量变化的一种传感器。电电容容式式传传感感器器不不但但广广泛泛用用于于位位移移、振振动动、角角度度、加加速速度度等等机机械械量量的的精精密密测测量量，而而且且还还逐逐步步地地扩扩大大到到用用于于压压力力、差差压压、液液位位、物物位位或或成成分含量等方面的测量。分含量等方面的测量。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 优优点点：功功率率小小、阻阻抗抗高高；静静电电引引力力小小、动动态态特特性性良良好好；和和电电阻阻式式传传感感器器相相比比，电电容容式式传传感感器器本本身身发发热热影影响响小小；可可进进行行非非接接触触测测量量；结结构构简简单单，适适应应性性强强，可可在在温温度度变变化化比比较较大大或或具有各种辐射的恶劣环境中工作。具有各种辐射的恶劣环境中工作。缺缺点点：输输出出具具有有非非线线性性；寄寄生生电电容容往往往往降低传感器的灵敏度。降低传感器的灵敏度。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 1.1.工作原理工作原理 如如图图所所示示的的平平板板电电容容器器,如如果果不不考考虑虑边边缘缘效效应应,其电容量为其电容量为式中，式中，e e0为真空介电常数，为真空介电常数，e er为介质相对介电常数为介质相对介电常数。4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由式由式(4.1)可知，电容式传感器分为三种类型可知，电容式传感器分为三种类型 变变极极距距型型。A和和e er不不变变，改改变变d。可可用用于于测测量量小位移小位移。变变面面积积型型。d及及e er不不变变，改改变变A(改改变变覆覆盖盖长长度或宽度度或宽度)。可用于测量较大线位移或角位移可用于测量较大线位移或角位移。4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 变变介介电电常常数数型型。d和和A不不变变，改改变变e er。常常用用于于测量液位、材料的浊度或成分等的变化测量液位、材料的浊度或成分等的变化。2.结构形式结构形式 (a)、(b)为为变变极极距距型型；(c)(f)为为变变面面积积型型；(g)、(h)为为变变介介电电常常数数型型。(a)、(b)、(c)、(e)、(f)、(g)是是线线位位移移传传感感器器；(d)是是角角位位移移传传感感器器；(b)和和(f)是差动式电容传感器。是差动式电容传感器。4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.2.1 4.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性特性曲线、灵敏度、非线性4.2.2 4.2.2 等效电路等效电路4.2.1 4.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性特性曲线、灵敏度、非线性 1.1.变极距型变极距型 由由式式(4.1)知知，C与与d呈呈反反比比，特特性性为为非非线线性性。为为使使传传感感器器能能近近似似在在线线性性下下工工作作，必必须须限限制制动动极极板在一个较小的范围内变化。板在一个较小的范围内变化。4.2.1 4.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性特性曲线、灵敏度、非线性 当当传传感感器器的的e e和和A为为常常数数，初初始始极极距距为为d时时，其其初始电容初始电容C为为 若若电电容容器器极极板板间间距距离离由由初初始始值值d减减小小D Dd，则则电电容量增大容量增大D DC，有，有4.2.1 4.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性特性曲线、灵敏度、非线性当当D Dd/dC1，C3C2。(1)试分析此电路工作原理；试分析此电路工作原理；(2)画画出出输输出出端端电电压压UAB在在C1C2、C1C2、C1C2三种情况下的波形图；三种情况下的波形图；(3)推导推导 的数学表达式。的数学表达式。4.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路4.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路 解解 (1)UP为为交交流流激激励励源源，在在正正、负负半半周周内内电电流的流程如图所示。流的流程如图所示。可可见见，正正半半周周内内，流流经经负负载载RL的的电电流流I1与与C1有有关，负半周内关，负半周内I2与与C2有关。有关。I1I24.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路 因因此此每每个个周周期期内内流流过过负负载载的的电电流流是是I1I2的的平平均均值，并随值，并随C1和和C2变化，变化，UAB可反映可反映C1和和C2的大小。的大小。(2)UAB的波形图如图所示。的波形图如图所示。4.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路 (3)由由于于RL很很大大，RL与与C3并并联联时时可可忽忽略略RL。又又由由于于C3C1，C3C2，所所以以C3与与C1或或C2串串联联时时可可忽略忽略C3。4.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路 于是，在正半周，有于是，在正半周，有I14.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路而在负半周，有而在负半周，有I24.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路设设 ，得，得输出电压输出电压的平均值为的平均值为式中，式中，K是一个常数。是一个常数。4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.3.1 4.3.1 自动平衡电桥电路自动平衡电桥电路4.3.2 4.3.2 差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路4.3.3 4.3.3 运算放大器式电路运算放大器式电路第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响 温度对电容式传感器的影响如下温度对电容式传感器的影响如下 改改变变传传感感器器各各零零件件的的几几何何尺尺寸寸和和相相互互间间的的几几何位置。何位置。影响介质的介电常数。影响介质的介电常数。二二者者都都将将造造成成温温度度附附加加误误差差。消消除除前前者者影影响响的的办办法法是是尽尽量量选选取取温温度度系系数数小小且且稳稳定定的的材材料料。如如电电极极材材料料选选用用铁铁镍镍合合金金，支支架架选选用用陶陶瓷瓷等等。而而消消除除后后者者影响的方法是通过测量电路进行补偿。影响的方法是通过测量电路进行补偿。4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响 电电容容器器的的边边缘缘效效应应是是指指，电电容容极极板板边边缘缘处处电电场场分分布布不不均均匀匀，使使得得电电容容量量不不等等于于理理论论值值。边边缘缘效效应应不不仅仅使使电电容容传传感感器器的的灵灵敏敏度度降降低低而而且且产产生生非非线性，因此，应尽量消除或减小它。线性，因此，应尽量消除或减小它。适适当当减减小小极极间间距距可可减减小小边边缘缘效效应应的的影影响响，但但易易产产生生击击穿穿并并限限制制测测量量范范围围。将将极极板板做做得得很很薄薄，使之与极间距相比很小，也可减小其影响。使之与极间距相比很小，也可减小其影响。4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响 还还可可增增设设等等位位环环来来消消除除边边缘缘效效应应。左左图图为为原原理理图图，右右图图为为其其实实例例。等等位位环环3与与电电极极2等等电电位位(但但不不是直接连结是直接连结)。边缘电场不影响传感器工作。边缘电场不影响传感器工作。1、2电极极；3等等位位环；4绝缘层；5套套 筒筒；6芯芯线；7、8内、外屏蔽内、外屏蔽层4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响 边边缘缘效效应应所所引引起起的的非非线线性性与与变变极极距距型型电电容容传传感感器器原原理理上上的的非非线线性性正正好好相相反反，因因此此在在一一定定程程度度上上起起了了补补偿偿作作用用，但但这这是是以以牺牺牲牲灵灵敏敏度度为为代价的。代价的。4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响 电电容容式式传传感感器器的的电电容容量量一一般般为为几几个个pF几几百百pF。若若电电源源频频率率较较低低，则则其其容容抗抗可可达达几几MW W几几百百MW W，所所以以绝绝缘缘问问题题显显得得十十分分突突出出。在在一一般般电电器器设设备备中中绝绝缘缘电电阻阻有有几几MW W就就足足够够了了，但但对对于于电电容容式式传传感感器器来来说说却却不不行行，一一般般绝绝缘缘电电阻阻将将被被看看作作是是对对电电容容式式传传感感器器的的一一个个旁旁路路，称称为为漏漏电电阻阻。漏漏电阻将影响输出。电阻将影响输出。4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响 更更严严重重的的是是当当绝绝缘缘材材料料性性能能不不好好时时，绝绝缘缘电电阻阻会会随随着着环环境境温温度度和和湿湿度度而而变变化化，致致使使电电容容式式传传感感器器的的输输出出产产生生缓缓慢慢的的零零位位漂漂移移。所所以以绝绝缘缘材材料料应应选选用用玻玻璃璃、石石英英、陶陶瓷瓷、尼尼龙龙等等，而而不能用夹布胶木等一般电绝缘材料。不能用夹布胶木等一般电绝缘材料。4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响 在在任任何何两两个个导导体体之之间间均均可可构构成成电电容容联联系系，因因此此电电容容式式传传感感器器除除了了极极板板间间的的电电容容外外，极极板板还还可可能能与与周周围围物物体体(包包括括仪仪器器中中各各种种元元件件甚甚至至人人体体)之之间产生电容联系。这种附加电容称为寄生电容。间产生电容联系。这种附加电容称为寄生电容。寄寄生生电电容容使使电电容容传传感感器器的的电电容容量量改改变变并并且且引引起传感器的特性不稳定。起传感器的特性不稳定。为此可采用如下方法为此可采用如下方法4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响 1.缩短传感器至测量线路前置级的距离缩短传感器至测量线路前置级的距离 将将集集成成化化电电路路、超超小小型型电电容容器器应应用用于于测测量量电电路路，可可使使部部分分部部件件与与传传感感器器做做成成一一体体，这这样样既既减减小小了了寄寄生生电电容容值值，又又可可使使寄寄生生电电容容值值固固定定不变。不变。4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响 2.驱动电缆法驱动电缆法 采采用用双双层层屏屏蔽蔽电电缆缆，放放大大倍倍数数严严格格为为1。由由于于等等电电位位，消消除除了了引引线线与与内内屏屏蔽蔽之之间间的的电电容容联联系系。外外层屏蔽接地后，内、外屏蔽之间的电容将成为放大层屏蔽接地后，内、外屏蔽之间的电容将成为放大器器的的负负载载，不不再再与与传传感感器器电电容容并并联联。这这样样，电电缆缆的的形形状状和和位位置置不不影影响响传传感感器器工工作作。图图4.13中中等位环与内屏蔽连接等位环与内屏蔽连接。4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响 3.整体屏蔽法整体屏蔽法 所所谓谓整整体体屏屏蔽蔽法法是是将将整整个个桥桥体体(包包括括供供电电电电源源及及传传输输电电缆缆)用用同同一一个个屏屏蔽蔽壳壳保保护护起起来来，正正确确选选择择接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 屏屏蔽蔽和和接接地地。用用良良导导体体做做传传感感器器壳壳体体，将将传传感感元元件件包包围围起起来来，并并可可靠靠接接地地；用用金金属属网网把把导导线线套套起起来来，金金属属网网可可靠靠接接地地；双双层层屏屏蔽蔽线线可可靠靠接接地地；传传感感器器与与电电子子线线路路前前置置级级一一起起装装在在良良好好屏屏蔽蔽壳体内，壳体可靠接地等等。壳体内，壳体可靠接地等等。增加原始电容值，降低容抗。增加原始电容值，降低容抗。4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 导导线线之之间间有有分分布布电电容容，因因此此导导线线和和导导线线要要离离得得远远，线线要要尽尽可可能能短短，最最好好成成垂垂直直排排列列，若若必必须平行排列时，可采用同轴屏蔽线。须平行排列时，可采用同轴屏蔽线。尽尽可可能能一一点点接接地地，避避免免多多点点接接地地。地地线线要要用粗的良导体和宽印刷线。用粗的良导体和宽印刷线。尽量采用差动式电容传感器。尽量采用差动式电容传感器。4.4.1 4.4.1 温度的影响温度的影响4.4.2 4.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响4.4.3 4.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响4.4.4 4.4.4 寄生电容的影响寄生电容的影响4.4.5 4.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器 容容栅栅式式传传感感器器是是在在变变面面积积式式电电容容传传感感器器的的基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种新新型型传传感感器器。它它不不仅仅具具有有变变面面积积式式电电容容式式传传感感器器的的优优点点，又又具具有有多多极极电电容容带带来来的的平平均均效效应应，使使其其抗抗干干扰扰能能力力强强，精精度度高高，对对刻刻制制和和安安装装精精度度要要求求不不高高，量量程程大大(可可达达1 m)，是是一一种种很很有有发发展展前前途途的的传传感感器器。现现已已应应用用到到数数显显卡尺，测长机等数显量具。卡尺，测长机等数显量具。4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器BOWERS/SYLVAC卡钳就采用了容栅式传感器。卡钳就采用了容栅式传感器。4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 容栅式传感器有容栅式传感器有长容栅长容栅和和圆容栅圆容栅两种。两种。4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理 1.1.长容栅长容栅 在在它它们们的的A、B面面上上分分别别印印制制一一系系列列相相同同尺尺寸寸、均均匀匀分分布布并并互互相相绝绝缘缘的的金金属属栅栅状状极极片片。将将定定尺尺和和动动尺尺的的栅栅极极面面相相对对放放置置，其其间间留留有有间间隙隙，形形成成一一对对对对电电容容(即即容容栅栅)，这这些些电电容容并并联联连连接接，若若忽略边缘效应，其最大电容量为忽略边缘效应，其最大电容量为式式中中，n为为动动尺尺栅栅极极片片数数；b为极片宽度；为极片宽度；a为栅极长度。为栅极长度。4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理 当当动尺尺沿沿x方方向向平平行行于于定定尺尺不不断断移移动时，每每对电容容的的相相对遮遮盖盖长度度l将将由由大大变小小、由由小小变大大而而呈呈周期性周期性变化，化，电容量也随容量也随时间相相应周期性周期性变化。化。最最小小电容容量量理理论上上为零零，实际上上为固固定定电容容C0，称称为容容栅的固有的固有电容。容。2.2.片状圆容栅片状圆容栅 它它由由同同轴轴安安装装的的固固定定圆圆盘盘1和和可可动动圆圆盘盘2组组成成，A、B面面上上的的栅栅极极片片制制成成辐辐射射的的扇扇形形，尺尺寸寸相相同同，均匀分布，并互相绝缘。最大电容量为均匀分布，并互相绝缘。最大电容量为式中，式中，r1、r2为内、外径；为内、外径；a a为栅极所对的圆心角。为栅极所对的圆心角。4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理 3.3.柱状圆容栅柱状圆容栅 它它由由同同轴轴安安装装的的定定子子(圆圆套套)1和和转转子子(圆圆柱柱)2组组成成，在在它它们们的的内内、外外柱柱面面上上刻刻制制一一系系列列宽宽度度相相等等的的齿齿和和槽槽，因因此此也也称称为为齿齿形形传传感感器器。齿齿和和槽槽所所对对的的圆圆心心角角也也为为a a。当当转转子子旋旋转转时时就就形形成成了了一一个个可可变变电电容容器器，定定子子、转转子子齿齿面面相相对对时时电电容容量量最最大大，错错开开时时最最小小。但电容量的计算但电容量的计算公式复杂。公式复杂。4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理 长长容容栅栅或或片片状状圆圆容容栅栅的的最最小小电电容容量量实实际际上上为为固固定定电电容容C0，称称为为容容栅栅的的固固有有电电容容。柱柱状状圆圆容容栅栅从从原理上即存在固有电容。原理上即存在固有电容。当当可可动动极极相相对对于于固固定定极极移移动动或或转转动动时时，每每对对电电容容的的相相互互遮遮盖盖长长度度(或或角角度度)将将由由大大变变小小、由由小小变变大大而而呈呈周周期期性性变变化化，电电容容量量也也随时间相应周期性变化。随时间相应周期性变化。4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式 1 1.反射式反射式 反射式分为直电极和倾斜电极两种。反射式分为直电极和倾斜电极两种。(1)(1)直直电电极极 结结构构如如图图所所示示，动动尺尺上上有有发发射射极极和和公共接收极公共接收极R。定尺上有。定尺上有反射极。反射极。4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式 当当发发射射极极上上加加激激励励电电压压时时，通通过过电电容容耦耦合合在在反反射射极极上上产产生生电电荷荷，再再通通过过电电容容耦耦合合在在公公共共接接收收极极上上产产生生电电荷荷输输出出。配配上上相相应应的的测测量量电电路路，可可得得到到幅幅值值或或相相位位与与被被测测位位移移成成比比例例关关系系的的调调幅幅信信号号或或调调相相信信号号。形形式式简简单单，使使用用方方便便，但但输输出出信信号号较较弱弱，运运行行过程中导轨误差的影响较大。过程中导轨误差的影响较大。(2)倾倾斜斜电电极极 所所有有发发射射极极均均倾倾斜斜a a角角，其其他他结结构构尺尺寸寸、安安装装使使用用等等都都与与直直电电极极式式相相同同。采采用用斜斜电电极极式式结结构构可可消消除除小小发发射射极极片片间间隙隙与与接接收收极极边边缘相对时所产生的突变性非线性误差。缘相对时所产生的突变性非线性误差。4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式 2.2.透射式透射式 测量装置两侧分别有一系列小发射极和一个测量装置两侧分别有一系列小发射极和一个公共接收极。发射极通过金属带上的矩形窗口与公共接收极。发射极通过金属带上的矩形窗口与接收极形成耦合电容，金属带起屏蔽作用。接收极形成耦合电容，金属带起屏蔽作用。特特点点：测测量量调调整整方方便便，安安装装误误差差和和运运行行误误差差的的影影响响可可大大大大降降低低。其缺点是制造困难。其缺点是制造困难。4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 容容栅栅传传感感器器的的测测量量电电路路可可采采用用调调幅幅式式或或调调相相式式电路。电路。1 1.开环调幅式测量原理开环调幅式测量原理 电电容容极极板板的的基基本本结结构构如如图图所所示示，一一个个极极板板由由均均匀匀排排列列电电极极的的长长栅栅(定定栅栅)组组成成，另另一一个个极极板板由由一一对对相相同同尺尺寸寸的的交交错错对对插插电电极极梳梳(动动栅栅对对)组成。组成。4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 图图中中暗暗区区是是两两个个电电极极的的重重叠叠面面积积，从从而而形形成成一一对对随随位位移移反反向向变变化化的的差差动动电电容容器器C1和和C2。传传感感器器仍仍采采用用传传统统差差动动变变压压器器测测量量电电路路，但但通通过过将将电电容容极极板板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 2.2.闭环调幅式测量原理闭环调幅式测量原理 A、B为为动动尺尺上上的的两两组组电电极极片片，P为为定定尺尺上上的的一一片片电电极极片片，它它们们之之间间构构成成差差动动电容器电容器CA、CB。4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 A和和B各各由由4片片小小电电极极片片组组成成，在在位位置置a时时，一一组组为为小小电电极极片片14，另另一一组组为为58。方方波波脉脉冲冲使使得得开开关关S1、S2轮轮流流将将参参考考直直流流电电压压U0和和测测量量转转换换系系统统的的直直流流输输出出电电压压Um分分别别接接入入两个小电极组两个小电极组A和和B。若若系系统统保保证证电电容容极极板板P为为虚虚地地，则则在在一一个个周周期期内内，激激励励信信号号通通过过差差动动电电容容CA和和CB在在电电容容极极板板P上上产产生生的的电电荷量为荷量为4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 当当QP为为零零时时，测测量量转转换换电电路路保保证证Um不不变变；否否则则，使使Um改改变，变，QP减小，直至为零。由减小，直至为零。由则则输输出出直直流流电电压压与与位位移移成成线线性性关系。关系。4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路得得 当当相相对对位位移移量量超超过过l0，如如位位置置b，由由控控制制电电路路自自动动改改变变小小电电极极片片组组的的接接线线。这这样样，在在电电极极片片P相相对对移移动动过过程程中中，能能保保证证始始终终与与不不同同的的小小极极片片形形成成同同样样的的差差动动电电容容器器。重重复复前前述述过过程程，得得到到与与位位移移成成线线性性关关系系的输出电压。的输出电压。4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路 3.调相式测量原理调相式测量原理4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.5.1 4.5.1 容栅式传感器基本类型及工作原理容栅式传感器基本类型及工作原理4.5.2 4.5.2 栅状极片的几种结构形式栅状极片的几种结构形式4.5.3 4.5.3 容栅式传感器的测量电路容栅式传感器的测量电路第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器 电电容容式式传传感感器器可可用用来来测测量量直直线线位位移移、角角位位移移、振振动动振振幅幅，还还可可用用来来测测量量转转轴轴的的回回转转精精度度和和轴轴心心动动态偏摆等。它们的应用如图所示。态偏摆等。它们的应用如图所示。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器 如如图图所所示示。两两玻玻璃璃圆圆盘盘上上的的凹凹面面深深约约25 m mm，其其上上镀镀金金作作为为两两个个固固定定电电极极，夹夹在在两两凹凹圆圆盘盘中中的的不不锈钢膜片为可动电极。锈钢膜片为可动电极。这这种种传传感感器器结结构构简简单单，灵灵敏敏度度高高，响响应应快快(约约100 ms)，能能测测微微小小差差压压(00.75 Pa)。也也可可用用于于测测量量真真空空或或微微小小绝绝对对压压力力，此此时时只只要要把把膜膜片片的的一一侧侧密密封封抽抽到到高高真空即可。真空即可。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 如如图图所所示示，两两个个固固定定极极板板与与壳壳体体绝绝缘缘，中中间间有有一一用用弹弹簧簧片片支支撑撑的的质质量量块块，质质量量块块的的两两个个端端面面经经过过磨平抛光后作为可动极板磨平抛光后作为可动极板(与壳体电连接与壳体电连接)。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深 如如果果以以双双线线同同时时绕绕于于同同一一骨骨架架上上，骨骨架架半半径径为为R，导导线线半半径径a，相相邻邻导导线线中中心心距距为为D，绕绕制制成成的的电电容容器器线线棒棒总总长长度度为为L，那么空气中两线间的电容量为，那么空气中两线间的电容量为 调节调节L，可以方便地得到期望的可以方便地得到期望的CN。测测量量水水位位时时，其其总总电电容容量量为为两两部部分分之之和和，CxC1C2。其中，。其中，C1为未插入水中部分的电容量为未插入水中部分的电容量C2为插入水中部分的电容量为插入水中部分的电容量4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深所以所以式式中中L、e er、CN均均为为常常数数，可可见见，线线绕绕式式电电容容传传感感器器插插入入水水中中的的深深度度l与与被被测测电电容容Cx成成良良好好的的线线性性关关系。直线方程之截距可预置抵消。系。直线方程之截距可预置抵消。被测介质为水，其相对介电常数被测介质为水，其相对介电常数e er811，所以，所以4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深 实实际际中中用用直直径径0.35 mm的的铜铜漆漆包包线线并并排排双双绕绕于于直直径径35 mm的的玻玻璃璃棒棒上上，长长度度270 mm，相相邻邻匝匝之之间间距距离离0.7 mm，末末端端剪剪断断，上上端端抽抽出出引引线线。取取真真空空介介电电常常数数e e08.8541012 F/m，经经计计算算得得传传感感器器的的初初始始电电容容为为CN1.7 nF。测测量量水深的实验数据曲线如图所示。水深的实验数据曲线如图所示。4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 将将被被测测电电容容C1、C2作作为为LC振振荡荡器器的的回回路路电电容容，振振荡荡器器的的其其他他参参数数为为固固定定值值。测测得得振振荡荡频频率率，可可知知上上、下下极极板板与与金金属属板板材材上上、下下表表面面之之间间的的距距离离dx1、dx2，则则被被测测金金属属板板材材厚厚度度d dd0(dx1dx2)，d0为为上上、下下极极板板间间的的距距离离。由由微微机机进进行行处理以消除非线性频率变换产生的误差。处理以消除非线性频率变换产生的误差。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器 如图所示，如图所示，在罐壁和测定电极之间形成电容器。在罐壁和测定电极之间形成电容器。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器如图所示。如图所示。1齿轮；齿轮；2定极；定极；3电容传感器；电容传感器；4频率计频率计4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 两两极极板板垂垂直直放放置置，且且具具有有一一定定间间隙隙，若若在在两两极极板板之之间间施施加加电电压压，则则两两极极板板之之间间将将形形成成电电场场，称称为为边边缘缘电电场场。根根据据镜镜像像原原理理及及复复变变函函数数理理论论，可可建建立立极板间电容与极板间距之间的关系为极板间电容与极板间距之间的关系为故故可以用来测量可以用来测量h。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 如如图图所所示示，ECT系系统统主主要要由由3部部分分组组成成：(1)电电容容传传感感装装置置；(2)电电子子电电路路；(3)图图像像重重建建、解解释释和和显示。显示。4.6 4.6 应用举例应用举例4.6.1 4.6.1 电容式位移传感器电容式位移传感器4.6.2 4.6.2 电容式差压传感器电容式差压传感器4.6.3 4.6.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6.4 4.6.4 线绕式电容传感器测量水深线绕式电容传感器测量水深4.6.5 4.6.5 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器4.6.6 4.6.6 电容式料位传感器电容式料位传感器4.6.7 4.6.7 电容式转速传感器电容式转速传感器 4.6.8 4.6.8 一种新型的基于边缘效应的电容传感器一种新型的基于边缘效应的电容传感器 4.6.9 4.6.9 电容层析成像在工业中的应用电容层析成像在工业中的应用 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的主要特性电容式传感器的主要特性4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 影响精度的因素及提高精度的措施影响精度的因素及提高精度的措施4.5 4.5 容栅式传感器容栅式传感器4.6 4.6 应用举例应用举例第第4 4章作业章作业4.4，4.7，4.8(介质为空气介质为空气)，4.9，4.10