第5章傳感器原理

1、第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 第5章 電容式傳感器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用應(yīng)用：壓力、位移、厚度

2、、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。第5章 電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化+ A 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 dSC（5-1） 式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)

3、，r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； S兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（5-1）中的S、 d或發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。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)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。圖5-1所示為常用電容器的結(jié)構(gòu)形式。圖(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)為變面積型， 圖(a)和(e)為變極距型， 而圖(i)(l)則為變介電常數(shù)型。 第5章 電容式傳感器 圖5-1 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式第

4、5章 電容式傳感器 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 圖 5-2為變極距型電容式傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，由式（5-1）可知其初始電容量C0為 000dSCr（5-2） 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有 200000000111 ddddCddCddSCCCr（5-3） 第5章 電容式傳感器 圖5-2 變極距型電容式傳感器 Ard第5章 電容式傳感器 圖5-3 電容量與極板間距離的關(guān)系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d第5章 電容式傳感器 在式（5-3）中，若d/d01時(shí)，1-(d/d0)21，則式 000d

5、dCCC（5-4） 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 另外，由式（5- 4）可以看出，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 如圖 5-4 所示，此時(shí)電容C變?yōu)?第5章 電容式傳感器 000ddSCgg（5-5） 式中：g云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 第5章 電容式傳感器 gdgd00圖5-4 放置云母片的電容器第5章 電容式傳感器 云

6、母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)，式（5-5）中的dg/0g項(xiàng)是恒定值， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間， 極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。 第5章 電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0+第5章 電容式傳感器 駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表

7、面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 第5章 電容式傳感器 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 圖5-5是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。 被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容變化量為 dbxaCCCr)(00(5-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為 axCC0(5-7) 很明顯，這種

8、形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS第5章 電容式傳感器 圖5-6 電容式角位移傳感器原理圖 動(dòng) 極 板定 極 板第5章 電容式傳感器 圖5-6是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)=0時(shí)，則 0000dSCr(5-8) 式中： r介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； d0兩極板間距離； S0兩極板間初始覆蓋面積。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)0時(shí)， 則 000001CCdSCr（5-9） 從式（5-9）可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 第5

9、章 電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型AC0角位移型角位移型+第5章 電容式傳感器 AC0平面線位移型平面線位移型第5章 電容式傳感器 柱面線位移型柱面線位移型. .AC0第5章 電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。 壓力變送器壓力變送器第5章 電容式傳感器 5.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 圖5-7是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為

10、D，此時(shí)變換器電容值為 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111式中：空氣介電常數(shù)； C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 即 dDnHC120(5-10) 第5章 電容式傳感器 由式（5-10）可見，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。 變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度， 也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。圖5-8是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。 圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C為

11、02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 第5章 電容式傳感器 02000) 1(LLCCCCCr式中：L0和b0極板的長(zhǎng)度和寬度； L第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。 若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為 (5-12) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 DdHh1第5章 電容式傳感器 圖5-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 L0Ld0r1r2第5章 電容式傳感器 表表5-1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)

12、 第5章 電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）第5章 電容式傳感器 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關(guān)的檢測(cè)物體，接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金

13、屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。第5章 電容式傳感器 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性由式（5-4）可知， 電容的相對(duì)變化量為 0011ddCC(5-13) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)，上式可按級(jí)數(shù)展開，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 第5章 電容式傳感器 由式（5-14）可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0|1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系， 如下式所示： 00ddCC(5-15) 電容傳感器的靈敏度為 001/ddCCK(5-16) 它說明了單位輸入位移所引起的輸出電容相對(duì)

14、變化的大小與d0呈反比關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 如果考慮式（5-14）中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則 0001ddddCC(5-17) 由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差為 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 由式（5-16）與式（5-18）可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 第5章 電容式傳感器 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。圖5-9是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 則

15、002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 第5章 電容式傳感器 圖5-9 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 00d1d2C1C2S第5章 電容式傳感器 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 10UddUo（5-43） 第5章 電容式傳感器 同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有 1USSUo（5-44） 由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。 二、二、差動(dòng)脈寬調(diào)制電路差動(dòng)脈寬調(diào)制電路A1A2UrR1R2C1D1D2C2Q Q

16、Q QACBDA3+V-VU0R-S 觸發(fā)器觸發(fā)器脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路CCCCCC0201,1.1.電路基本結(jié)構(gòu)（電路基本結(jié)構(gòu)（R- -S 觸發(fā)器）觸發(fā)器）2.2.工作過程工作過程 設(shè)加電初態(tài)設(shè)加電初態(tài) 則則C1 1充電。開始時(shí)刻，充電。開始時(shí)刻，VC、VD Ur A2輸出低輸出低。；01QQ輸出低電平輸出低電平 C1 1 經(jīng)經(jīng)D1放電放電 VC Ur A1輸出低電平輸出低電平 C2 2 經(jīng)經(jīng)D2放電放電 VD Ur， A1恢復(fù)高電平。同時(shí)恢復(fù)高電平。同時(shí)C1 1充電。充電。 C1 1充電時(shí)間充電時(shí)間T110QQ；01QQ；21210212211221121021222111111

17、1CCCCUURRRCRCRCRCRUUTTTUTTTUUUCRTUUUCRTUUURCUUURCtUURCtUUeeUUeUUQQQrQQrQQCQQQCQQCQCRCtRCtQCRCtQC設(shè)計(jì)。由電容器充電;ln;lnlnlnlnR- -S 觸發(fā)器高電平輸出觸發(fā)器高電平輸出3.3.輸出分析輸出分析對(duì)于變極距差動(dòng)電容傳感器對(duì)于變極距差動(dòng)電容傳感器: :ddACddAC0201成線性關(guān)系。000000000002121ddUUddddddddddddAddAddAddACCCCQ三、三、運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路- -KCxC0 0U0 0Ui運(yùn)算放大器測(cè)量電路運(yùn)算放大器測(cè)量電路aixxxU

18、CCUCjZCjZ1,10000 反相比例放大器：反相比例放大器：.00ZZUUxixixxdACUUdAC 00由于由于dx=d0+d，所以，所以d =0時(shí)時(shí)U00，欲使，欲使d =0時(shí)時(shí)U0= 0，可用：，可用：- -KCxC0U0Ui0Ua1R2R1210012101021011,RRRCCUURRRUUURIUURRUUIxiiiii時(shí)當(dāng)1200RRCCxCx0為初態(tài)電容為初態(tài)電容（d =0）ddAdACdACxxx 000 變極距變極距xidACUU00反相比例放大器：反相比例放大器：UiU00U 1R2R0CxCaI交交流流等等效效電電路路dACCCCUUxxi 00000相位相反

19、相位相反iUU0、第5章 電容式傳感器 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 圖5-17 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器第5章 電容式傳感器 圖5-17為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)， 所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。 該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 第5章 電容式傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖5-

20、18 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體第5章 電容式傳感器 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 第5章 電容式傳感器 5.5.3 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 電容測(cè)厚傳感器是用來

21、對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè)，其工作原理是在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等， 與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極， 而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化， 將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來， 經(jīng)過放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。 第5章 電容式傳感器 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器的測(cè)量原理框圖如圖5-19所示。音頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的音頻信號(hào)，接入變壓器T的原邊線圈，變壓器副邊的兩個(gè)線圈作為測(cè)量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由標(biāo)準(zhǔn)電容C0和帶材與極板形成的被測(cè)電容Cx(Cx=C1

22、+C2)組成。 電橋的輸出電壓經(jīng)放大器放大后整流為直流，再經(jīng)差動(dòng)放大， 即可用指示電表指示出帶材厚度的變化。 第5章 電容式傳感器 圖 5-19 差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖 音頻信號(hào)發(fā)生器音頻放大器全波整流器差動(dòng)放大器C0C1C2RRCT 2. 電容式物位傳感器（物位計(jì)）電容式物位傳感器（物位計(jì)） 根據(jù)電容式物位計(jì)原理示意圖，可以得到該根據(jù)電容式物位計(jì)原理示意圖，可以得到該同心圓筒形電容器的總電容同心圓筒形電容器的總電容C與與Lx成正比：成正比：Rr0L電容式物位計(jì)原理示意圖電容式物位計(jì)原理示意圖LxLLrRLLLrRCxxx00022)(ln)(ln 一種實(shí)際的電容式液位計(jì)模型一種實(shí)際的電

23、容式液位計(jì)模型這種電容式液位計(jì)適合用于測(cè)量水或其它具有導(dǎo)這種電容式液位計(jì)適合用于測(cè)量水或其它具有導(dǎo)電性質(zhì)液體的液位，浸沒在液體中的絕緣電纜的電性質(zhì)液體的液位，浸沒在液體中的絕緣電纜的芯線作為同軸電容器的內(nèi)導(dǎo)體，導(dǎo)電性液體作為芯線作為同軸電容器的內(nèi)導(dǎo)體，導(dǎo)電性液體作為外導(dǎo)體，絕緣層為電介質(zhì)，外導(dǎo)體，絕緣層為電介質(zhì)，介電常數(shù)為介電常數(shù)為=0r 。當(dāng)當(dāng)浸浸沒深度為沒深度為h，電纜的芯線，電纜的芯線直徑為直徑為d1 1，電纜外徑為，電纜外徑為d2 2時(shí)，芯線與導(dǎo)電液體間的時(shí)，芯線與導(dǎo)電液體間的電容電容Cx：122ddhCxln與與h成成正比。正比。CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D

24、2D3D4水水中電纜斷面水中電纜斷面防水絕緣層防水絕緣層芯線芯線h一種實(shí)際的電容式物位計(jì)一種實(shí)際的電容式物位計(jì) 模型電路分析模型電路分析 這種電容式液位計(jì)的測(cè)量電路由環(huán)形二極管電路構(gòu)成，用頻率為這種電容式液位計(jì)的測(cè)量電路由環(huán)形二極管電路構(gòu)成，用頻率為f( (周周期為期為T T ) )的方波驅(qū)動(dòng)。方波低電平為的方波驅(qū)動(dòng)。方波低電平為E1，高電平為，高電平為E2，工作過程如下：，工作過程如下： 方波高電平期間，方波電平經(jīng)方波高電平期間，方波電平經(jīng)C1、D1給給Cx充電到充電到E2，又經(jīng)，又經(jīng)C1、 Ce、D3給給Cd+ C /d充電到充電到E2 。Cx沖上的電量為沖上的電量為Qx = Cx( (E

25、2- -E1) )；C=(=(Cd+ C /d) )沖沖上的電量為上的電量為Qd =( =(Cd+ C /d)()(E2- -E1) )；( (電感電感L1 、L2阻斷了高頻方波阻斷了高頻方波) ) 方波低電平期間，方波低電平期間， Cx上電荷經(jīng)上電荷經(jīng)D2、 C1、 Ce放電到放電到E1， C上電荷上電荷經(jīng)經(jīng)D4、 C1放電到放電到E1。此期間，。此期間，Ce上的剩余電荷為上的剩余電荷為Q:(:(左負(fù)右正左負(fù)右正) )CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D2D3D4水水中電纜斷面水中電纜斷面防水絕緣層防水絕緣層芯線芯線h一種實(shí)際的電容式物位計(jì)一種實(shí)際的電容式物位計(jì) 此剩余電荷

26、可形成直此剩余電荷可形成直流電經(jīng)流電經(jīng)L1 、M 、L2釋放：釋放：12-EE C CCx QQQdddx。時(shí)成正比，且與則：調(diào)節(jié)初始電容時(shí)設(shè)0001200012IhhEECCfICCCCChEECCCfIfQTQIxxxddxxddx)()()(因因Cx與與h成正比。成正比。（二）（二） 特點(diǎn)特點(diǎn)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(guān)，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(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱

27、產(chǎn)生零漂。2 2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，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，能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。3 3動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電

28、，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。4 4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，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(cè)量，例如測(cè)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0.001m甚至更小的位移。 不足：1 1輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器

29、的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)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高（幾十M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），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)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(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。 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

30、電纜電容電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容的電容等“寄生電容寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求3 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(dòng)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電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊

31、加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)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(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。 （三）（三） 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計(jì)傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。1 1保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能 減小環(huán)境溫度、濕度環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,以保證絕緣材料的絕緣性能,

32、溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。 電容式傳感器的金屬電極的材料金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。 傳感器內(nèi)電極表面電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降

33、低溫度系數(shù)，但成本較高。 傳感器內(nèi)，電極的支架電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。 盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，但無法完

34、全消除。 在可能的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu),這樣可以通過某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。 選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率電源頻率，以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的零件零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形。 2 2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng)適當(dāng)減小極間距減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。此外，可在結(jié)

35、構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍，且與電極2電絕緣但等電位，這就能使電極2的邊緣電力線平直，電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場(chǎng)1233邊緣電場(chǎng)邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。 （1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積增加工作面積或工作工作長(zhǎng)度長(zhǎng)度來增加原始電

36、容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在 10-61范圍內(nèi)。 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ?3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響（1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；（）注意傳感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5）采用運(yùn)算放大器法；（）采用運(yùn)算放大器法；（6

37、6）整體屏蔽法）整體屏蔽法 （2 2）注意傳感器的接地和屏蔽）注意傳感器的接地和屏蔽 圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)?？蓜?dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。 引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級(jí)的距離。 絕緣體屏蔽殼固定極筒可動(dòng)極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖 （3 3）集成化）集成化 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容

38、大為減小而且易固定不變固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 （4 4）采用）采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過1:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。 外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)準(zhǔn)確度要求達(dá)1/ /10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。 1：1測(cè)量電路前置級(jí)外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器“驅(qū)動(dòng)