1、C6 電容式傳感器l 傳感器作用及分類傳感器作用及分類l 電阻式傳感器電阻式傳感器l 電感式傳感器電感式傳感器l 電容式傳感器電容式傳感器l 壓電式傳感器壓電式傳感器l 磁電式傳感器磁電式傳感器電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器驅(qū)動電纜原理圖驅(qū)動電纜原理圖1 1、傳感器；、傳感器；2 2、驅(qū)動電纜放大器；、驅(qū)動電纜放大器；3 3、內(nèi)屏蔽；、內(nèi)屏蔽；4 4、信號線；、信號線；5 5、外屏蔽；、外屏蔽；6 6、測量電路；、測量電路；雙層屏蔽等電位雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)傳輸技術(shù)減小電纜分布電減小電纜分布電容的影響容的影響等電位，控制容等電位

2、，控制容性電流，等效地性電流，等效地消除了引線與內(nèi)消除了引線與內(nèi)屏蔽層之間的電屏蔽層之間的電容容10m6.1 6.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化，電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化， 電容器電容器 C C 可以通過改變可以通過改變 S S 極板面積，稱變面積型傳感器極板面積，稱變面積型傳感器 極板極板距離，稱變極距型傳感器距離，稱變極距型傳感器 介質(zhì)介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器介質(zhì)介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器平板電容器平板電容器1、定極板；、定極板；2、動極板；、動極板；圓筒形圓筒形1、定極筒、定極筒2、動極筒、動極筒變

3、極距型傳感器變極距型傳感器測微小的線位移測微小的線位移(0.01(0.01微米零點幾毫米微米零點幾毫米) )6.1 6.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型變面積型傳感器變面積型傳感器測位移或較大線位移測位移或較大線位移6.1 6.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器測固體或液體的物位或介質(zhì)的濕度、密度測固體或液體的物位或介質(zhì)的濕度、密度6.1 6.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型1 1、變極距型（、變極距型（ d ） 000dSCr初始電容初始電容: 當(dāng)當(dāng) d 減小減小 d 時時 電容電容 C C 增加增加C6.

4、2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性0rssCdd 0-120=8.85 10/rF m真真空空的的介介電電常常數(shù)數(shù)介介質(zhì)質(zhì)的的相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)00dddCCC變極距型變極距型電容式傳感器電容式傳感器 電容量與極板間電容量與極板間距離的關(guān)系距離的關(guān)系 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性C C1 C2O d1 d2C C1 C2O d1 d2d00011CCCdd電容相對變化電容相對變化當(dāng)當(dāng)|d d/ /d d0 0|1|1時，上式可按泰勒級數(shù)展開，可得時，上式可按泰勒級數(shù)展開，可得 30200001ddddddddCC1 1、變極距型（、變極距型（

5、 d ） 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性00nCCSdd傳感器靈敏度傳感器靈敏度1 1、變極距型（、變極距型（ d ） 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性00 CdCd線性 變極距型電容變極距型電容傳感器的非線性特性傳感器的非線性特性 非線性非線性 30200001ddddddddCC如果考慮式中的線性項及二次項如果考慮式中的線性項及二次項0001CddCdd1 1、變極距型（、變極距型（ d ） 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性非線性誤差非線性誤差 2000(/)100%/100%/d dd dd d討論：討論： 要提高

6、傳感器靈敏度要提高傳感器靈敏度 應(yīng)減小初始極距應(yīng)減小初始極距, ,但初始極距但初始極距 受電容受電容擊穿電壓擊穿電壓限制；限制； 非線性隨相對的位移的增加而增加，為保證線性非線性隨相對的位移的增加而增加，為保證線性 度應(yīng)限制度應(yīng)限制相對位移相對位移； 起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器 適合測小位移；適合測小位移； 為提高靈敏度和改善非線性，一般采用為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)。具有固體介質(zhì)的變極距型（具有固體介質(zhì)的變極距型（d ） 動極板動極板定極板定極板2r固體電解質(zhì)11r空氣1d2ds0212rsCdd初始電容初始電

7、容02112rCCsddd變極距型電容式傳感器的測試性能變極距型電容式傳感器的測試性能 1 1、初始電容一般在、初始電容一般在20 100pF20 100pF之間；之間；2 2、極板間距離在、極板間距離在25 200m25 200m之間；之間；3 3、最大位移一般是間距的、最大位移一般是間距的0.10.1倍以下；倍以下；)(1 20001ddddCC)()(1 3020002ddddddCC6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性d1d上靜片上靜片下靜片下靜片動片動片)(2300021ddddCCCC電容的相對變化量電容的相對變化量 電容特征方程忽略高次項得：電容特征方程忽略高

8、次項得： 電容的總變化量電容的總變化量)()(1 2402000ddddddCC002ddCC0012/ddCCK 傳感器（差動式）靈敏度傳感器（差動式）靈敏度 相對非線性誤差為相對非線性誤差為 %100)(20ddL結(jié)論：結(jié)論： 差動式電容傳感器比單個電容差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍; ; 非線性誤差減小（多乘非線性誤差減小（多乘 因子）。因子）。 0d d00()rax bCCCd 平板電容：平板電容：動極板移動動極板移動x,x,電容量為：電容量為：初始電容初始電容電容的相對變化量電容的相對變化量 00rabCd 0CxCa2 2、變面積型（、變面積型（S） 6.

9、2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性0rbCbKxdd 結(jié)論：結(jié)論： 變面積式電容傳感器靈敏度為常數(shù)；變面積式電容傳感器靈敏度為常數(shù)； 輸出特性為線性；輸出特性為線性； 適合大位移測量。適合大位移測量。平板變面積型電容傳感器靈敏度平板變面積型電容傳感器靈敏度2 2、變面積型（、變面積型（S） 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性2) 2) 角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器改變有效覆蓋面積；改變有效覆蓋面積；若初始狀態(tài)若初始狀態(tài)=0=0，初，初始電容量為：始電容量為：0000rACd 1 1、靜片；、靜片；2 2、動片；、動片；當(dāng)當(dāng)00，電容量為：，電容量

10、為：000000000011rrrACdAAdACd 0CC3) 3) 筒狀變面積電容傳感器筒狀變面積電容傳感器3) 3) 筒狀變面積電容傳感器筒狀變面積電容傳感器若初始狀態(tài)若初始狀態(tài)x=0 x=0，初始電容量為：，初始電容量為：D1D0Lx00012lnLCDD000121lnxLxxCCLDD當(dāng)內(nèi)筒上移當(dāng)內(nèi)筒上移x x時，時，內(nèi)外筒間的電容內(nèi)外筒間的電容C C1 1為：為：0CxCL 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：用途：用途： 測介電常數(shù)；測介電常數(shù)； 測厚度測厚度d d；3 3、變介電常數(shù)型

11、、變介電常數(shù)型 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性0rACdada動片動片r1r0LLdd d為運動介質(zhì)的厚度，為運動介質(zhì)的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變 可作為介電常數(shù)的測試儀器。可作為介電常數(shù)的測試儀器。介電常數(shù)保持不變，介電常數(shù)保持不變，d d改變，可作為測厚儀器。改變，可作為測厚儀器。3 3、變介電常數(shù)型、變介電常數(shù)型 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性0rrACadd0r 011rCdCa 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量的當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量的變化量與極板間的介質(zhì)位置之間存在一定的關(guān)系。變化量與極板間

12、的介質(zhì)位置之間存在一定的關(guān)系。3 3、變介電常數(shù)型、變介電常數(shù)型 6.2 6.2 電容傳感器的輸出特性電容傳感器的輸出特性1) 1) 單組式平單組式平板形厚度傳感板形厚度傳感器器 x等效電路等效電路CC1C2C3設(shè)固定極板長度為設(shè)固定極板長度為a、寬度為、寬度為b、兩極板間的距離為、兩極板間的距離為a；被測物的厚度和它的介電常數(shù)分別為被測物的厚度和它的介電常數(shù)分別為d和和 21dCab321C1 C1 11 CC2ababCdd0abCadd01311adCCabxxxxxxCCabCCCC) 1(1) 1( )(11 000000000時時，當(dāng)當(dāng)1 /x001xCC1CBld2d12xCA線

13、位移傳感器線位移傳感器等效電路等效電路CACBC2) 2) 單組式平板形線位移傳感器單組式平板形線位移傳感器 設(shè)極板寬度為設(shè)極板寬度為b b，板間無介質(zhì)，板間無介質(zhì) 2 2 時，傳感器的電容量為：時，傳感器的電容量為：0112blCdd移入介質(zhì)移入介質(zhì)2 2 后的電容量為：后的電容量為：112221111ABCCCbxb lxdddd1122110001122221110CddddxlxxCCCddllldd1CBld2d12xCA120011221xCCCdld2212001221ddxCCdl d12112201 xdlCdC等效電路等效電路3) 3) 圓筒式液位傳感器圓筒式液位傳感器 0

14、0212ln/hCrr1212ln/xhCrr02212ln/xhhCrr液位傳感器液位傳感器0212100212100002222ln/ln/ln/ln/ xxxxhhhCrrrrhhrrrrCChh 000 xhhCC電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。電容傳感器的測量電路包括電容傳感器的測量電路包括: :運算放大器式電路運算放大器式電路電橋電路電橋電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路諧振電路諧振電路二極管二極管T T型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路6.3

15、 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路1 1運算放大器式電路運算放大器式電路 克服變極距傳克服變極距傳感器的感器的非線性非線性使其使其輸出電壓與輸入位輸出電壓與輸入位移成線性；移成線性；C Cx x: :電容傳感器電容傳感器C Co o: :固定電容固定電容 6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路K K為理想運放為理想運放xC0CxIsU0U0I0000ixxxIUjCIUjCII00sxCUUC 若傳感器是一平行板電容，則：若傳感器是一平行板電容，則：xACd對于單極板平板電容器傳感器運放輸出可以為：對于單極板平板電容器傳感器運放輸出可以為： 運算放大器的輸出電壓與動極

16、板的板間距離運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離d d成正比。成正比。運算放大器測量電路克服了變極距型電容傳感器的非運算放大器測量電路克服了變極距型電容傳感器的非線性。線性。1 1運算放大器式電路運算放大器式電路6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路00SCUUdA 2 2電橋電路電橋電路6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路UCr1CRRU0UCr1Cr2U0LLCr1CU0UCCr2平衡電橋平衡電橋平衡條件平衡條件2 2電橋電路電橋電路6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路1221ZCZC120120 dddCCC初始狀態(tài)初始狀態(tài)若中心極板移動若

17、中心極板移動1020;dddd ddd C1、C2為傳感器為傳感器的兩個差動電容的兩個差動電容 1Z2Z1C2CabE1020; ;CCCCCCC121 =2ababaUUUZZUE;若021120121112bCCj CCUEEECCCj Cj C0001222abCCCUEECC使用使用元件最少元件最少，橋路，橋路內(nèi)阻最小內(nèi)阻最小放大放大振蕩器振蕩器相敏相敏檢波檢波濾波器濾波器由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，3 3變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路111Zj

18、 c221Zj c1122121ffECE CjIZCCj1112221211fffffEZIIj CEZIIj CIII 等效電路等效電路1E2E1I2IfI1C2C1Z2ZfZ1122121scffffE CE CjUI ZZZCCj電橋平衡時電橋平衡時1211222100scECUE CE CEC1212,ffEEE CCC ZR設(shè)當(dāng)動極板偏離中心位置時當(dāng)動極板偏離中心位置時12; ;CCCCCC12212scffffE CCE CCjURR CjE CjRR Cj輸出電壓幅值輸出電壓幅值2212fscfE C RUR C 相位差相位差12fR Carctan 輸入高頻對稱方波電源，輸入

19、高頻對稱方波電源，D1D1、D2D2特性相同二極管，特性相同二極管，C1C1、C2C2傳感器差動電容，傳感器差動電容，R1R1、R2R2固定電阻，固定電阻，R RL L負(fù)載。負(fù)載。 一個周期內(nèi)一個周期內(nèi)R RL L上的平上的平 均電壓：均電壓： 3 3二極管雙二極管雙T T型電路型電路(Cf) (Cf) 6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路122(2)()()LoLELR RRUR Uf ccRR0-RRRLC2C1D1D2iC1iC2+UE+ 雙雙T T型電路工作原理分析型電路工作原理分析 正半周正半周D1D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2D2截止截止 C1C1充電；充電； 負(fù)半周負(fù)半周D

20、1D1截止，截止，D2D2導(dǎo)通導(dǎo)通 C2C2充電；充電； 一個周期內(nèi)負(fù)載一個周期內(nèi)負(fù)載R RL L上輸出上輸出電壓電壓U Uo o與電源電壓與電源電壓U UE E幅值、幅值、頻率頻率f f有關(guān)有關(guān); ;與電容的差值與電容的差值(C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 0-RRRLC2C1D1D2iC1iC2+UE+正半周正半周U1CRR2CLR1cU2cU1I2ILI12LIII2cUU1LUIRR2222LLLLRRRCRRR RRCRR 22tcUtUe2001tctccUUUUe122tcLUUIeRRR2121LLtUeRRIII21LIIIU1CRR2CLR1cU2cU1I2ILI負(fù)

21、半周負(fù)半周2LUIRR1112LLLLRRRCRRR RRCRR 11tcUtUe111tcLUUIeRRR1211LLtUeRRIII1cUU一個周期內(nèi)輸出電流的平均值為：一個周期內(nèi)輸出電流的平均值為： 21120012122121211112;22TLLLttTLkkLLLLLLIIIdtTUeedtT RRRRUfRCCCeC eRRRRRRkkfRC RRfRCRR 12222LLLLLLkUUI RkUf CCRRkRRRRfC4 4差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路 6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路0 0 1 1 C1C1、C2C2為差動電容傳感器為差動電容傳感器

22、0 0 0 0 1 1 1 1 Vf1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 FGoU電路原理圖電路原理圖AB電壓波形圖電壓波形圖12CC12CC4 4差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路 01211121212112ABUUUTTUUTTTTTTUTToUAB1212TTCC、為電容、的充電時間12120oCCTTU11111221lnlnrrUTRCUUUTRCUU121201111212ABTTCCCUUUUUUTTCCC4 4差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路 對于變極距型差對于變極距型差動電容傳感器動電容傳感器 2101112dddUUUddd對于變面積型差對于變面積型差動電容傳感器

23、動電容傳感器 1201112SSSUUUSSS輸出電壓與被測位移成線性關(guān)系；輸出電壓與被測位移成線性關(guān)系；不需要解調(diào)，采用低通濾波器就可以獲得較大的直不需要解調(diào)，采用低通濾波器就可以獲得較大的直流輸出電壓；流輸出電壓；調(diào)寬頻率對輸出沒有影響；調(diào)寬頻率對輸出沒有影響；諧諧振振曲曲線線5 5調(diào)頻電路調(diào)頻電路(C-I) (C-I) 6.3 6.3 電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路6.4 6.4 霍爾傳感器霍爾傳感器1. 1. 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體, , 當(dāng)它的電流方向與當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時磁場方向不一致時, , 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場

24、方載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢, , 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。該電勢稱霍爾電勢。 BFIUHdvLfevB 載流子在磁場中受到載流子在磁場中受到洛倫茲力洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場從而形成電場E E，當(dāng)載流子受到的電場力與洛倫茲力達(dá)，當(dāng)載流子受到的電場力與洛倫茲力達(dá)到動態(tài)平衡時，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢到動態(tài)平衡時，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢U UH H 。cosHHIBURd HHRKd cosHHUK IB 其中其中 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù) 磁場與元件平面法線方向的夾角磁場與元件平面法線方向的夾角 d d 與磁場方向一致的霍爾元件厚度與磁場方向一致的霍爾元件厚度 霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度HR HK由由 得知，得知，d d 越小，越小， 越大，則感生電越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N N型半型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級。導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級。cosHHIBURd HR霍爾元件aabb霍爾元件示意圖材料RHGe14250Ge21200InSb380Si2250霍爾元件由霍爾片、四根引