1、本章内容与学时安排：本章内容与学时安排：电容式传感器是把被测量的变化转换为电容电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数的电容器数的电容器平行板电容传感器平行板电容传感器和和圆圆柱形电容传感器柱形电容传感器。可用来测量压力、力、位移、振动、液位、可用来测量压力、力、位移、振动、液位、成份含量等。成份含量等。000dSdSCr 设两极板相互覆盖的有效面积为设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），），两极板间两极板间的距离为的距离为d0（m），），极板间介质的介电常数为极板间介质的介电常数为（F/m）。）。若忽略板极
2、边缘的影响，平板电容器的电容量若忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为为:其中：其中：r-相对介电常数；相对介电常数；0-真空中的介电常数，真空中的介电常数，0=8.8510-12F/m 可以看出，可以看出，r，S，d0三个参数三个参数都直接影响着电容量都直接影响着电容量C的大小。的大小。图图4.1 4.1 平板电容器平板电容器d0S 如果保持上式中两个参数不变，而使另外一个如果保持上式中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。故电容式传感参数改变，则电容量就将发生变化。故电容式传感器可分为三种类型：器可分为三种类型：变极距型（变间隙型）：变极距型（变间隙型）：改变
3、极板距离改变极板距离d0 ；变面积型：变面积型：改变极板相对面积改变极板相对面积S S；变介电常数型：变介电常数型：改变介电常数改变介电常数。1 2 d0 图4.1 变极距型电容式传感器 C0 d0 C d C 0 d 图 4.2 Cd0特性曲线 1.1.变极距型变极距型（图（图4.1）=常量，常量，S=常量，极距常量，极距d0 可变，此时：可变，此时：C=f(d0)图中极板图中极板1固定不动，称固定不动，称定极板定极板，极板极板2为为可动极板可动极板。当可动极板。当可动极板随被测量变化而移动时，使两随被测量变化而移动时，使两极板间距离极板间距离d 0 变化，从而使电变化，从而使电容量发生变化
4、。容量发生变化。C随随d0变化的函变化的函数关系为数关系为双曲线双曲线。特性分析特性分析 设动极板处于初始位置设动极板处于初始位置d0时，电容器初始电容量为时，电容器初始电容量为C0 当间距减小当间距减小d时，则电容变化量时，则电容变化量C为：为：000000dddCddddSdSddSC则电容相对变化量则电容相对变化量C/C0为：为：0001ddddCC当当d d0，上式可展开成级数：上式可展开成级数：.)()(1 302000ddddddddCC忽略上式高次项，有忽略上式高次项，有 此式表明，在此式表明，在d d0情况下，电容变化量情况下，电容变化量C与极板与极板间距变化量间距变化量d 呈
5、近似线性关系。呈近似线性关系。00ddCC0dd的大小有关，的大小有关，非线性误差非线性误差表达式为表达式为 2000()1 0 0%()dddddd非线性误差与非线性误差与 如：当极距相对变化量为如：当极距相对变化量为0.1时，则误差达时，则误差达10%，误差较大。，误差较大。此式表明：灵敏度此式表明：灵敏度K是极板间是极板间距距d0的函数，的函数，d0越小，灵敏度越小，灵敏度越高越高。但减小但减小d0，同样会使非线同样会使非线性误差增大，且受电容器击穿性误差增大，且受电容器击穿电压的限制，制造困难。为此，电压的限制，制造困难。为此，在实际应用中，为改善非线性，在实际应用中，为改善非线性，常
6、采用常采用差动式结构差动式结构。C1 C2 d0 d0 d 1 3 2 图4.3 变 极 距 型 差 动 式 电 容 传 感 器 原 理 图 该类传感器的灵敏度为：该类传感器的灵敏度为：20dSdCK 我们只给出结论：差动式电容传感器，灵敏度提高了我们只给出结论：差动式电容传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差可以减小一个数量级一倍，非线性误差可以减小一个数量级（详见教材）（详见教材）。变极距型变极距型应用：应用：电容式传声器电容式传声器(a)(a)角位移式角位移式 (b)(b)直线位移式直线位移式图图4.4 4.4 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 d a b x 2.2.变面积型变面
7、积型=常量，常量，d 0=常量，相对面积可变，此时常量，相对面积可变，此时C=f(S)。其结构见下图。其结构见下图。特性分析特性分析 当动极板有一角位移当动极板有一角位移时，两极板间覆盖面积时，两极板间覆盖面积S S就发就发生变化，从而导致电容量的变化。生变化，从而导致电容量的变化。当当=0=0时，时，C0=S/d0 当当00时时 可见：电容可见：电容C与角位移与角位移呈呈线性关系。线性关系。)1()1(00CdSCb)b)直线位移式直线位移式（图图4.4 b）)1()(00axCdxabCxaCdxdCK0 当动极板移动当动极板移动x时，覆盖面积就发生变化，电容量也随时，覆盖面积就发生变化，
8、电容量也随之改变，其值为：之改变，其值为：其灵敏度为：其灵敏度为：可见：可见：增加初始电容增加初始电容C0可提高传感器的灵敏度。可提高传感器的灵敏度。a b x 图 4.5 齿形电容式传感器 设齿形极板的齿数设齿形极板的齿数为为n，当动极板发生，当动极板发生直线位移直线位移x时，其电容时，其电容为：为：000()(1)rxnb axxCnCda 该传感器的灵敏度该传感器的灵敏度K变为：变为：0 xdCCKndxa A B d0 d1 0 1 图 4.6 变介电常数型电容式传感器 下图所示传感器，其电容量等于两个电容相串联，即下图所示传感器，其电容量等于两个电容相串联，即 01010100110
9、10110()SSC CddSCSdSdCCdd 3.3.变介电常数型变介电常数型rRLCln201.1.同轴圆柱形电容式传感器同轴圆柱形电容式传感器（变面积型）（变面积型）右图所示为同轴圆柱形右图所示为同轴圆柱形电容式传感器示意图。电容式传感器示意图。其电容量为：其电容量为：12)/(2)/ln()(2)/ln(20LLCrRLnLrRLLrRLC ln(R/r)20常数LCLCkg0010101222211112()22()2lnlnlnlnh xhxxCCCRRRRRRRR 2.2.变介质圆柱形电容式传感器变介质圆柱形电容式传感器（变介电常数型）变介电常数型）电容式液位计属于该类。电容式
10、液位计属于该类。输出电容与液面高度呈线性关系输出电容与液面高度呈线性关系。电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/料位计）料位计）变介质电容式传感器应用变介质电容式传感器应用 RS RP C L 图 4.9 电容式传感器的等效电路)1()1(2222222LCRCRjCRRRZPPPPSC 由于传感器的并联电阻由于传感器的并联电阻Rp很大，串联电阻很大，串联电阻RS很很小，忽略这两项，则等效阻抗小，忽略这两项，则等效阻抗ZC为为：LjCjZC1 因此，电容传感器的因此，电容传感器的等效电容等效电容Ce可由下式求得可由下式求得：LjCjCje1120211）（ffCLCCCe 式中：式
11、中：f0为等效电路谐振频率，为等效电路谐振频率，LCf2102.高阻抗和小功率高阻抗和小功率 在被测量很小时，电容式传感器两极板间的静在被测量很小时，电容式传感器两极板间的静电场会使动极板产生附加位移，造成电场会使动极板产生附加位移，造成测量误差测量误差。电容接桥方式很多，但必须接入交流电桥，且电源频率电容接桥方式很多，但必须接入交流电桥，且电源频率不能太低。如普通电桥和变压器电桥。不能太低。如普通电桥和变压器电桥。图图4.10 4.10 调频测量电路原理框图调频测量电路原理框图 当被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，振荡器有一个固有频率，振荡器有一个固有频率f0 当被测信号不为当被测信号
12、不为0时，时，C0，振荡器频率有相应变化，振荡器频率有相应变化 fff0oixCUUC 2 2、运算放大器电路、运算放大器电路 B RL VD1 VD2 C2 C1 R2 R1 e A 图4.12 二极管双T型交流电桥 3 3、二极管双、二极管双T T型交流电桥型交流电桥图中图中e是高频电源，提供幅值是高频电源，提供幅值为为E的对称方波，的对称方波，VD1、VD2为为特性完全相同的两个理想二极特性完全相同的两个理想二极管，固定电阻管，固定电阻R1=R2=R，RL为为负载电阻，负载电阻，C1、C2为传感器为传感器的的两个差动电容，对于单极式电两个差动电容，对于单极式电容传感器可以其中之一为固定容
13、传感器可以其中之一为固定电容，另一个为传感器电容。电容，另一个为传感器电容。适用于单组式和差动式电容传感器。适用于单组式和差动式电容传感器。)C-(CR)R(R)2RR(RU21L2LL0Ef差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路BVD2AVD1 A2放大器 A1放大器Ur双触稳发态器QQGU0FR2R1低通滤波C2C1UAB4.2.1 4.2.1 容栅式传感器的类型与工作原理容栅式传感器的类型与工作原理一、一、类型：类型：长容栅、圆容栅长容栅、圆容栅 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。可测大位移础上发展起来的一种新型传感器。可
14、测大位移（可达（可达1m），具有精度高（可达），具有精度高（可达5m），结构简），结构简单，能耗低等优点。单，能耗低等优点。二、二、工作原理工作原理1 1、长容栅传感器、长容栅传感器定栅动栅对定栅动栅对C21C定栅与动栅对的组合2、圆、圆容栅传感器容栅传感器其工作原理与长容栅相似。其工作原理与长容栅相似。长长容栅传感器也称线位移容栅传感器。由定容栅传感器也称线位移容栅传感器。由定尺和动尺组成。工作原理参见下图。尺和动尺组成。工作原理参见下图。一、优点一、优点：1 1、耗能低。适用于以电池供电的测量场所。、耗能低。适用于以电池供电的测量场所。2 2、动态响应快。、动态响应快。3 3、能在高温，恶
15、劣环境下工作。、能在高温，恶劣环境下工作。二、缺点：二、缺点：易受引线、接地、外壳等外界干扰，对后续放易受引线、接地、外壳等外界干扰，对后续放大器也要求很高。大器也要求很高。1 1、调幅式信号处理、调幅式信号处理 2 2、调相式信号处理、调相式信号处理三、提高抗干扰能力的措施三、提高抗干扰能力的措施1、提高电源频率。、提高电源频率。2、采用高输入阻抗运放。、采用高输入阻抗运放。3、采用带通或选频放大技术。、采用带通或选频放大技术。4、采用屏蔽。、采用屏蔽。5、提高初始电容值。、提高初始电容值。6、减小极板厚度，增大极板宽度。、减小极板厚度，增大极板宽度。应遵循的几项原则：应遵循的几项原则：（1
16、）结构设计时，应尽量提高传感器的初始电容值。）结构设计时，应尽量提高传感器的初始电容值。（2）防水防尘。严防潮气、尘土和蒸汽。）防水防尘。严防潮气、尘土和蒸汽。（3）电容极板的绝缘与固定。）电容极板的绝缘与固定。（4）合理选材。减小传感器的零点漂移）合理选材。减小传感器的零点漂移。（6 6）注意传感器的容许工作电压。）注意传感器的容许工作电压。（7 7）考虑连接电缆对传感器特性的影响。）考虑连接电缆对传感器特性的影响。如采用超小型大规模集成电路；采用如采用超小型大规模集成电路；采用“驱驱 动电缆技术等动电缆技术等”。（8 8）采用屏蔽接地技术。）采用屏蔽接地技术。1 1、电容式测微仪、电容式测
17、微仪 高灵敏度电容式测微仪采用高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振非接触方式精确测量微位移和振动振幅。在最大量程为（动振幅。在最大量程为（1005）m时，最小检测量为时，最小检测量为0.01m。右图为电容式测微仪测头原右图为电容式测微仪测头原理图。理图。探头 被测件 h S 图图4.17 4.17 电容式测微仪原理图电容式测微仪原理图图图4.20（a）为单只变极距型电容式传感器原理图。）为单只变极距型电容式传感器原理图。用于测量气体或液体压力。用于测量气体或液体压力。1 2 P P 3 4 5 6（a）单只电容式压力传感器 （b）差动电容式压力传感器 图4.20 电容式压力传感
18、器 图图4.20（b）为一种）为一种小型差动电容式压小型差动电容式压力传感器。可用于力传感器。可用于微小压力。微小压力。产品产品.陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。压力变送器压力变送器 右图为电容式加速右图为电容式加速度传感器的结构示意图。度传感器的结构示意图。质量块质量块4由两根簧片由两根簧片3支支撑于充满空气的壳体撑于充满空气的壳体2内，弹簧较硬使系统的内，弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工成惯性式加速度计的工作状态作状态。Cx1 B面 1 5 2 3
19、 64 A面 Cx2 1、5固定极板；2壳体；3簧片；4质量块；6绝缘体 图4.21 电容式加速度传感器结构示意图 3.3.电容式加速度传感器电容式加速度传感器典型应用：电子数显游标卡尺典型应用：电子数显游标卡尺 5 5、电容传声器、电容传声器 采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。极板，故名为驻极体电容传声器。7 7、电容式接近开关、电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测被测电容电容
