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1、第二章 位移檢測(cè)傳感器電容式位移傳感器電容式位移傳感器26分分填空，選擇，問(wèn)答填空，選擇，問(wèn)答 1電容式位移傳感器：是利用電電容式位移傳感器：是利用電容量的變化來(lái)測(cè)量線位移或角容量的變化來(lái)測(cè)量線位移或角位移的裝置。位移的裝置。21 1、電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理 S 極板間的覆蓋面積（m2）；極板間距離（m)；r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；在空氣中r=10真空介電常數(shù)，0 0=8.85410=8.85410-12-12 F/m F/m；兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。S3由上式可知，電容量由上式可知，電容量C是幾何參數(shù)是幾何參數(shù)和和S

2、及介電常及介電常數(shù)數(shù) 的函數(shù)，任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引的函數(shù)，任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，起電容量的變化，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。換為電量輸出。固定固定，變變 極距變化型極距變化型 固定固定，變變 S 面積面積 固定固定，變變 介質(zhì)介質(zhì) 1 1、電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理電容式位移傳感器工作原理4電容式傳感器電容式傳感

3、器變極距式變極距式變面積式變面積式變介質(zhì)式變介質(zhì)式n電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。2 2、電容式位移傳感器的分類電容式位移傳感器的分類電容式位移傳感器的分類電容式位移傳感器的分類變極距型電容位移傳感器：具有較高的靈敏度、但電容變極距型電容位移傳感器：具有較高的靈敏度、但電容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）電容位移傳感器：具變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）電容位移傳感器：具有比較好的線性，但靈敏度比較低。有比較好的線性，但靈敏度比較低。

4、53 3、電容式位移傳感器的使用方式電容式位移傳感器的使用方式電容式位移傳感器的使用方式電容式位移傳感器的使用方式封閉形式下使用封閉形式下使用開放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（當(dāng)被開放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為導(dǎo)體時(shí)），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)測(cè)對(duì)象為導(dǎo)體時(shí)），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為絕緣體時(shí)）（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為絕緣體時(shí)）由于帶電極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，由于帶電極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱

5、影響小，而使其能在由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作。高頻范圍內(nèi)工作。電容位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄漏電容，造電容位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄漏電容，造成測(cè)量誤差。成測(cè)量誤差。4 4、電容式位移傳感器的特點(diǎn)電容式位移傳感器的特點(diǎn)電容式位移傳感器的特點(diǎn)電容式位移傳感器的特點(diǎn)6（一）（一）變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器基本工作原理基本工作原理S定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板極距極距由上式可知，電容量由上式可知，電容量C與極板間距與極板間距成雙曲線成雙曲線關(guān)系，如右圖所示關(guān)系，如右圖所示7（一）（一）變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器基本工

6、作原理基本工作原理變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器8設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為 0 0 0 0則初始電容量：則初始電容量：當(dāng)動(dòng)極板上移，極距當(dāng)動(dòng)極板上移，極距當(dāng)動(dòng)極板上移，極距當(dāng)動(dòng)極板上移，極距 0 0 0 0減小減小減小減小 ，傳感器的電容量，傳感器的電容量，傳感器的電容量，傳感器的電容量電容增量：電容增量：電容增量：電容增量：基本工作原理基本工作原理9略去高次非線性項(xiàng)，得略去高次非線性項(xiàng)，得略去高次非線性項(xiàng)，得

7、略去高次非線性項(xiàng)，得電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：10非線性誤差與非線性誤差與/0 0有關(guān)。其表達(dá)式為：有關(guān)。其表達(dá)式為：11變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器小結(jié)小結(jié)只能用于小位移測(cè)量，只有在小位移測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為只能用于小位移測(cè)量，只有在小位移測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為常數(shù)（由上述分析可知，只有在常數(shù)（由上述分析可知，只有在/0 0 11的情況，電容隨的情況，電容隨極板間距離的變化才近似成線性關(guān)系）極板間距離的變化才近似成線性關(guān)系）其靈敏度與初始極距其靈敏度與初始極距

8、其靈敏度與初始極距其靈敏度與初始極距 0 0的平方成反比，故可通過(guò)減小初的平方成反比，故可通過(guò)減小初的平方成反比，故可通過(guò)減小初的平方成反比，故可通過(guò)減小初始極距來(lái)要提高靈敏度。始極距來(lái)要提高靈敏度。始極距來(lái)要提高靈敏度。始極距來(lái)要提高靈敏度。但當(dāng)?shù)?dāng)?shù)?dāng)?shù)?dāng) 0 0 過(guò)小時(shí)，又容易引起擊穿，或短路過(guò)小時(shí)，又容易引起擊穿，或短路過(guò)小時(shí)，又容易引起擊穿，或短路過(guò)小時(shí)，又容易引起擊穿，或短路。同時(shí)加工同時(shí)加工同時(shí)加工同時(shí)加工精度要求也高了。故一般在極板間采用高介電常數(shù)的材料如，精度要求也高了。故一般在極板間采用高介電常數(shù)的材料如，精度要求也高了。故一般在極板間采用高介電常數(shù)的材料如，精度要求也高了

9、。故一般在極板間采用高介電常數(shù)的材料如，放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)作為介質(zhì)。放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)作為介質(zhì)。放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)作為介質(zhì)。放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)作為介質(zhì)。存在線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減存在線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減存在線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減存在線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，改善線性度，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。小非線性，改善線性度，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。小非線性，改善線性度，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。小非線性，改善線性度，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。12為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差

10、動(dòng)結(jié)構(gòu)為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。下靜片下靜片上靜片上靜片動(dòng)動(dòng)片片雙板式差動(dòng)電容器雙板式差動(dòng)電容器兩定板和中間一塊動(dòng)板組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)兩定板和中間一塊動(dòng)板組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)13動(dòng)極板動(dòng)極板動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板定極板定極板定極板定極板定極板定極板C1 1C2 2差動(dòng)式變間隙型電容傳感器差動(dòng)式變間隙型電容傳感器14差動(dòng)式電容位移傳感器差動(dòng)式電容位移傳感器把電容位移傳感器連接成差動(dòng)形式，當(dāng)把電容位移傳感器連接成差動(dòng)形式，當(dāng)中間活動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，一邊電容增加，另一中間活動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，一邊電容增加，另一邊電容減小

11、，總的電容變化為兩者的代數(shù)和。邊電容減小，總的電容變化為兩者的代數(shù)和。這樣不僅提高靈敏度，同時(shí)使在零點(diǎn)附近工這樣不僅提高靈敏度，同時(shí)使在零點(diǎn)附近工作的線性度也得到了改善。作的線性度也得到了改善。15動(dòng)極板上移時(shí)：動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，初始位置時(shí)，161718非線性誤差非線性誤差減小減小非線性誤差為：非線性誤差為：19n5月2日第二大節(jié)結(jié)束20n變變面面積積型型電電容容位位移移傳傳感感器器可可用用于于線線位位移移測(cè)測(cè)量量，也也可可用用于于角角位移測(cè)量。位移測(cè)量。n根據(jù)不同需要采用平板型極板、圓筒型極板或鋸齒型極板根據(jù)不同需要采用平板型極板、圓筒型極板或鋸齒型極板n這類傳感器輸入這類傳感器輸入

12、/輸出具有線性特性輸出具有線性特性（二）（二）變面積型電容位移傳感器變面積型電容位移傳感器21b（a a a a）直線位移式）直線位移式）直線位移式）直線位移式ax變面積型變面積型22(b)角位移變面積型角位移變面積型變面積型變面積型23n當(dāng)有效覆蓋從當(dāng)有效覆蓋從S0 變至變至 S，則，則可見S與C的變化呈線性關(guān)系，故其靈敏度為常數(shù)：可見，變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線形關(guān)系輸出與輸入呈線形關(guān)系輸出與輸入呈線形關(guān)系輸出與輸入呈線形關(guān)系n動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效

13、面積動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引發(fā)生變化，引起電容起電容C發(fā)生變化。發(fā)生變化。工作原理：工作原理：24圖中所示線位移式傳感器：則有：可見，電容相對(duì)變化量與水平位移是線性關(guān)系可見，電容相對(duì)變化量與水平位移是線性關(guān)系可見，電容相對(duì)變化量與水平位移是線性關(guān)系可見，電容相對(duì)變化量與水平位移是線性關(guān)系 （1 1 1 1）線位移型）線位移型）線位移型）線位移型當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)LLLL后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為變，其值為

14、變，其值為變，其值為靈敏度為：25定片定片動(dòng)片動(dòng)片（b b）角位移式）角位移式（2 2 2 2）角位移型）角位移型）角位移型）角位移型電容的相對(duì)變化量為：電容的相對(duì)變化量為：當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為容值為容值為容值為 26定片定片動(dòng)片動(dòng)片（b b）角位移式）角位移式（2 2 2 2）角位移型）角位移型）角位移型）

15、角位移型則其靈敏度為：可見，（1）傳感器的電容量與角位移呈線性關(guān)系；（2）增大傳感器的初始面積或減小極板間距有利于增大傳感器的靈敏度K。27初始電容為初始電容為初始電容為初始電容為C C C C0 0 0 0（當(dāng)位移（當(dāng)位移（當(dāng)位移（當(dāng)位移x=0 x=0 x=0 x=0時(shí)，動(dòng)時(shí)，動(dòng)時(shí)，動(dòng)時(shí)，動(dòng)極板極板極板極板1 1 1 1和定極板和定極板和定極板和定極板2 2 2 2完全相互覆蓋時(shí)）：完全相互覆蓋時(shí)）：完全相互覆蓋時(shí)）：完全相互覆蓋時(shí)）：D1D0Lx（3 3 3 3）同心圓筒形電容位移傳感器）同心圓筒形電容位移傳感器）同心圓筒形電容位移傳感器）同心圓筒形電容位移傳感器28外筒內(nèi)徑外筒內(nèi)徑傳感器

16、總高度傳感器總高度內(nèi)筒外徑內(nèi)筒外徑介質(zhì)高度介質(zhì)高度（三）（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器電容液位計(jì)電容液位計(jì)設(shè)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常設(shè)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為數(shù)為2，空氣的相對(duì)介電，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為常數(shù)為1，液位高度為，液位高度為h，傳感器變換器高度為傳感器變換器高度為H，內(nèi)筒外徑為內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D 液位傳感器的等效電路液位傳感器的等效電路液位傳感器的等效電路液位傳感器的等效電路C C2 2C C1 1C C2 2r r2 22 2r r1 1h hh hx x29變介質(zhì)電容式液位傳變介質(zhì)電容式液位傳感器感器外筒內(nèi)徑外筒內(nèi)徑內(nèi)筒外徑內(nèi)筒外徑傳感器總高度

17、傳感器總高度介質(zhì)高度介質(zhì)高度當(dāng)液面高度為零時(shí)，當(dāng)液面高度為零時(shí)，傳感器的初始電容傳感器的初始電容值為：值為：（三）（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器電容液位計(jì)電容液位計(jì)30變介質(zhì)電容式液位傳變介質(zhì)電容式液位傳感器感器外筒內(nèi)徑外筒內(nèi)徑內(nèi)筒外徑內(nèi)筒外徑傳感器總高度傳感器總高度介質(zhì)高度介質(zhì)高度有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：可見，電容式液位計(jì)具有線性輸出特性。在用于位移可見，電容式液位計(jì)具有線性輸出特性。在用于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的線性關(guān)系。故這種傳感器可以測(cè)量液位、料位的高

18、度。線性關(guān)系。故這種傳感器可以測(cè)量液位、料位的高度。（三）（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器電容液位計(jì)電容液位計(jì)31厚度傳感器厚度傳感器厚度傳感器厚度傳感器厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路CC1C2C3（三）（三）變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器 在用于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都在用于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的線性關(guān)系。但也有輸入具有較好的線性關(guān)系。但也有輸入/輸出呈非線性關(guān)系的。輸出呈非線性關(guān)系的。下圖中是一改變介質(zhì)電容傳感器，它的輸入下圖中是一改變介質(zhì)電容傳感器，它的輸

19、入/輸出呈非線性輸出呈非線性關(guān)系。極間介質(zhì)材料可為紙、布或膠片，這種傳感器可用于關(guān)系。極間介質(zhì)材料可為紙、布或膠片，這種傳感器可用于測(cè)測(cè)量介質(zhì)的厚度量介質(zhì)的厚度；也可通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)間接測(cè)量影響介；也可通過(guò)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)間接測(cè)量影響介電常數(shù)的某些量，如濕度、溫度等。電常數(shù)的某些量，如濕度、溫度等。d電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀32設(shè)極板形狀為長(zhǎng)方形，面積為設(shè)極板形狀為長(zhǎng)方形，面積為設(shè)極板形狀為長(zhǎng)方形，面積為設(shè)極板形狀為長(zhǎng)方形，面積為S,S,S,S,兩極板間的距離為兩極板間的距離為兩極板間的距離為兩極板間的距離為d d；被測(cè)物的；被測(cè)物的；被測(cè)物的；被測(cè)物的厚度為厚度為厚度為厚度為（三）（三）

20、變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路厚度傳感器的等效電路CC1C2C3d 0 0 真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) r r 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 介質(zhì)的介電常數(shù)，介質(zhì)的介電常數(shù)，介質(zhì)的介電常數(shù)，介質(zhì)的介電常數(shù)，=r r 0 0在空氣中在空氣中在空氣中在空氣中 r r=1=1電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 r r33電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀C1C3C2d電容電容C與介質(zhì)厚度與介質(zhì)厚度介電常數(shù)介電常數(shù)之間的關(guān)系是非線性的之間的關(guān)系是非線性的34（四）（四）容柵式電容位移傳感器容

21、柵式電容位移傳感器容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器是根據(jù)在間隙容柵位移傳感器是根據(jù)在間隙容柵位移傳感器是根據(jù)在間隙容柵位移傳感器是根據(jù)在間隙 和介電常數(shù)和介電常數(shù)和介電常數(shù)和介電常數(shù) 一定的條件下，一定的條件下，一定的條件下，一定的條件下，電容電容電容電容CCCC的變化量的大小與耦合面積的變化量的大小與耦合面積的變化量的大小與耦合面積的變化量的大小與耦合面積 S S變化量的大小成正變化量的大小成正變化量的大小成正變化量的大小成正比，因此比，因此比，因此比，因此容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上容柵式傳感器是在

22、變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。容柵位移傳感器可分為兩類，即長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容容柵位移傳感器可分為兩類，即長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容容柵位移傳感器可分為兩類，即長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容容柵位移傳感器可分為兩類，即長(zhǎng)容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器。柵角位移傳感器。柵角位移傳感器。柵角位移傳感器。35（四）（四）容柵式電容位移傳感器容柵式電容位移傳感器 容柵位移傳感器是將電容傳感器中的電容極板容柵位移傳感器是將電容傳

23、感器中的電容極板容柵位移傳感器是將電容傳感器中的電容極板容柵位移傳感器是將電容傳感器中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，板和獨(dú)特的測(cè)量

24、電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理36（四）（四）容柵式電容位移傳感器容柵式電容位移傳感器 見見見見P19P19P19P19 圖2-13a,1是固定容柵，是固定容柵，2是可動(dòng)容是可動(dòng)容柵，在柵，在A、B面上分別印制（或刻劃）一系列均勻面上分別印制（或刻劃）一系列均勻分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）。固定容柵與可分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）。固定容柵與可動(dòng)容柵柵極面相對(duì)，中間留有間隙動(dòng)容柵柵極面相對(duì)，中間留有間隙，形成一對(duì)對(duì)

25、，形成一對(duì)對(duì)電容。當(dāng)可動(dòng)容柵相對(duì)固定容柵移動(dòng)時(shí)每對(duì)電容面電容。當(dāng)可動(dòng)容柵相對(duì)固定容柵移動(dòng)時(shí)每對(duì)電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測(cè)出線位移積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測(cè)出線位移或角位移?；蚪俏灰?。容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理容柵位移傳感器的工作原理37（四）（四）容柵式電容位移傳感器容柵式電容位移傳感器 長(zhǎng)容柵位移傳感器長(zhǎng)容柵位移傳感器長(zhǎng)容柵位移傳感器長(zhǎng)容柵位移傳感器式中：式中：n為可動(dòng)容柵的柵極數(shù)為可動(dòng)容柵的柵極數(shù) a、b分別為柵極的寬度和長(zhǎng)度（分別為柵極的寬度和長(zhǎng)度（m)在測(cè)量位移時(shí)，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，則覆蓋在測(cè)量位移時(shí)

26、，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，則覆蓋面積發(fā)生變化，因此其電容量隨之變化，所以根據(jù)所測(cè)電容面積發(fā)生變化，因此其電容量隨之變化，所以根據(jù)所測(cè)電容量的變化可知位移的變化量。量的變化可知位移的變化量。忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵的最大電容量為：忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵的最大電容量為：忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵的最大電容量為：忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵的最大電容量為：38（四）（四）容柵式電容位移傳感器容柵式電容位移傳感器 圓容柵位移傳感器圓容柵位移傳感器圓容柵位移傳感器圓容柵位移傳感器式中：式中：R、r柵極外半徑和內(nèi)半徑（柵極外半徑和內(nèi)半徑（m）每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角（每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角（rad)動(dòng)?xùn)?/p>

27、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使兩柵之間的覆蓋角由動(dòng)?xùn)呸D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使兩柵之間的覆蓋角由變?yōu)樽優(yōu)閤,電容電容C隨之變化。隨之變化。見見見見P19P19P19P19 圖2-13b,片狀圓容柵的兩圓盤1、2同軸安裝，柵狀成輻射狀，可動(dòng)容柵隨被測(cè)對(duì)象一起轉(zhuǎn)動(dòng)。忽略電容忽略電容忽略電容忽略電容邊緣效應(yīng)，圓容柵的最大電容量為：邊緣效應(yīng)，圓容柵的最大電容量為：邊緣效應(yīng)，圓容柵的最大電容量為：邊緣效應(yīng)，圓容柵的最大電容量為：39 容柵式傳感器它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同容柵式傳感器它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，分辨力高，提時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，分辨力高，提高了抗干擾能力、提高了測(cè)量精度高了抗干擾

28、能力、提高了測(cè)量精度(可達(dá)可達(dá)5um)、極大地、極大地?cái)U(kuò)展了量程擴(kuò)展了量程(可達(dá)可達(dá)1m)，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量，對(duì)刻劃，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量，對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所降低，是一種很有發(fā)展前精度和安裝精度要求可有所降低，是一種很有發(fā)展前途的傳感器。途的傳感器。容柵式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：容柵式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：401 1、電容位移傳感器的屏蔽和接地問(wèn)題、電容位移傳感器的屏蔽和接地問(wèn)題 傳感器的初始電容量很小，而極板與周圍物體、傳感器的初始電容量很小，而極板與周圍物體、各種儀器、電纜以至人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附各種儀器、電纜以至人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附加電容，稱為寄生電容。這些寄生電容較大，加電容

29、，稱為寄生電容。這些寄生電容較大，與傳感與傳感器電容相并聯(lián)，改變了電容傳感器的電容量，一方面器電容相并聯(lián)，改變了電容傳感器的電容量，一方面降低量傳感器的靈敏度，另一方面這些寄生電容（如降低量傳感器的靈敏度，另一方面這些寄生電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，從而導(dǎo)致了電容位移電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，從而導(dǎo)致了電容位移傳感器特性的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。傳感器特性的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。措施：為了解決此問(wèn)題，通常對(duì)電容位移傳感器及措施：為了解決此問(wèn)題，通常對(duì)電容位移傳感器及其引線采取屏蔽措施，將傳感器放在金屬殼內(nèi)，接其引線采取屏蔽措施，將傳感器放在金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)安全可靠。地應(yīng)安全可靠。（五）

30、電（五）電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽容式位移傳感器的絕緣和屏蔽41 2.電容式位移傳感器的絕緣電容式位移傳感器的絕緣電容位移傳感器的一般比較小，如果電源頻率電容位移傳感器的一般比較小，如果電源頻率不高，則傳感器本身的容抗就會(huì)相當(dāng)大，具有如此不高，則傳感器本身的容抗就會(huì)相當(dāng)大，具有如此大內(nèi)阻的電容位移傳感器，通常的絕緣電阻只能視大內(nèi)阻的電容位移傳感器，通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，我們稱之為漏電阻。為電容位移傳感器的旁路電阻，我們稱之為漏電阻。若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的而變

31、化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零位漂移。零位漂移。解決方法：絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨解決方法：絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性，常脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、石英等，使用時(shí)要進(jìn)行表面密封。用的材料有玻璃、石英等，使用時(shí)要進(jìn)行表面密封。42n課堂練習(xí)43n14、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。（練一）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。（練一）44n14、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（、電容式傳感器的電容量是其極板面積、（極板

32、間隙極板間隙 ）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。）、和極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)。45n35、畫出變極距型電容位移傳感器測(cè)量線位移的、畫出變極距型電容位移傳感器測(cè)量線位移的原理示意圖，并分析小位移測(cè)量的靈敏度。原理示意圖，并分析小位移測(cè)量的靈敏度。(單元單元一）一）46（一）（一）變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器S定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板極距極距47設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為設(shè)動(dòng)極板未移動(dòng)時(shí)極板間距（初始極距）為 0 0 0 0則初始電容量：則初始電容量：當(dāng)動(dòng)極板上移，極距當(dāng)動(dòng)極板上移，極距當(dāng)動(dòng)

33、極板上移，極距當(dāng)動(dòng)極板上移，極距 0 0 0 0減小減小減小減小 ，傳感器的電容量，傳感器的電容量，傳感器的電容量，傳感器的電容量電容增量：電容增量：電容增量：電容增量：48略去高次非線性項(xiàng)，得略去高次非線性項(xiàng)，得略去高次非線性項(xiàng)，得略去高次非線性項(xiàng)，得電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：49n15、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以提高測(cè)量（提高測(cè)量（），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的線性度得到改善。（模擬二）線性度得到改善。（模擬二）50n15、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以、把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以提高測(cè)量（提高測(cè)量（靈敏度靈敏度 ），又可以使零點(diǎn)附近工作），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的