1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材传传 感感 器器（第第5版）版）1 第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型 第二节第二节 转换电路转换电路 第三节第三节主要性能、特点与设计要点主要性能、特点与设计要点 第四节第四节电容式传感器举例电容式传感器举例 第四章第四章 电容传感器电容传感器普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材返回主目录返回主目录2优点优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相由
2、于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。量之中。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。上是一个具有可变参数的电容器。第四章第四章 电容电容传感器传感器3一、工作原理一、工作
3、原理 用用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为为S极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；极板间距离；极板间距离；r相对介电常数；相对介电常数；0 真空介电常数，真空介电常数，0 8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。SSSCr0第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型图图4-1平板电容器平板电容器第四章第四章 电容电容传感器传感器4二、类型二、类型三种基本类型：三种基本类型：l变极距（变间隙）变极距（变间隙）()型型l变面积型变面积型(S)型型l变介电常数变介电常数(r)型型表表4-
4、1列出了电容式传感器的三种基本结构形式列出了电容式传感器的三种基本结构形式。l位移位移：线位移和角位移两种。：线位移和角位移两种。l极板形状极板形状：平板或圆板形和圆柱：平板或圆板形和圆柱(圆筒圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形形，虽还有球面形和锯齿形等等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。其其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。宽、稳定性高。第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型51、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 极板固极板固定不动，极定不动
5、，极板为板为可动电极可动电极(动片动片)，当动片随被测量变化而移动时，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量，其电容变化量C为为C0极距为极距为时的初始电容量。时的初始电容量。0CSSSC第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型讨论：讨论：该类型电容式传感器存在着该类型电容式传感器存在着原理非线性原理非线性，所以实际应用中，为了改善，所以实际应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改善其非线性。非线性、常常作成差动式结构改善其非线性。62、变面积型电容传、变面积型电容传感器感器 变面积型电容传感器中，平板形结构
6、对极距变化特别敏感，测量精度受变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1 圆筒内半径和内圆柱外半径圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l时，电容变化量时，电容变化量C为为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln
7、()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。大多用来检测位移等参数。第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型73、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还可根，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿湿度度等等。n若忽略边缘效应若忽略边缘效应，传，传感器的电容量感器的电容量与被与被测厚度的关系为测厚度的关系为/)(0 xxabC第一节
8、第一节 工作原理与类型工作原理与类型8n若忽略边缘效应若忽略边缘效应，传，传感器的电感器的电容量容量与被位移的关系为与被位移的关系为 00/)(/)(xxxxlabblC a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型9n若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液液位位的关系为的关系为
9、图图4-3 液液位传感位传感器器h00212122()ln(/)ln(/)xhhCrrrr 可见，传感器电容量可见，传感器电容量C与被测液位高度与被测液位高度hx成线性关系。成线性关系。注意事项：注意事项：若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层（如若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层（如0.1mm的聚四氟乙烯等）。的聚四氟乙烯等）。2r12r2hx第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型10一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路第二节第二节 转换电路转换电路 r C0 Cp L a)完整等效电路 Rg Ce Re b)低频等效电路 L re Ce c)高频等效电路
10、 图图4-4 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路第四章第四章 电容电容传感器传感器11讨论：讨论：l在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和和r的影响可以忽略。其等效的影响可以忽略。其等效电路可简化为图电路可简化为图4-4 b，其中等效电容，其中等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻，等效电阻ReRg。l在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L和和r的影响不可忽略，而漏电的的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图影响可忽略。其等效电路简化为图4-4 c。其中。其中Ce=C0+Cp，而，而rer。l电容式传
11、感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHz。供电电源。供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其频率必须低于该谐振频率，一般为其1/31/2，传感器才能正常工作。，传感器才能正常工作。第二节第二节 工转换电路工转换电路12将电容式传感器接入交流电桥的一个臂将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电另一个臂为固定电容容)或两个相邻臂，另两个臂可以是或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻电阻或或电容电容或或电感电感，也可，也可是是变压器的两个二次线圈变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是。其中另两个臂是紧耦合电感臂紧耦合电感臂的电的电桥具有较高的
12、灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式变压器式电桥电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。二、电桥电路二、电桥电路第二节第二节 工转换电路工转换电路13特点特点：高频交流正弦波供电；高频交流正弦波供电；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；施；通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近
13、，否通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；输出阻抗很高输出阻抗很高(几几M至几十至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。高放大倍数的处理电路。第二节第二节 工转换电路工转换电路14三、二极管双三、二极管双T形电形电路路 电电路原理如图路原理如图(a)。供电电压是幅值为。供电电压是幅值为UE、周期为、周期为T、占空比为、占空比为50的方的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶
14、电路，波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图如图(b)。其中二极管。其中二极管VD1导通、导通、VD2截止，电容截止，电容C1被以极其短的时间充电、其被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容法，可直接得到电容C2的电流的电流iC2如下：如下：第二节第二节 工转换电路工转换电路15在在R（RRL）/（RRL）C2T/2时时,电流电流iC2的平均值的平均值IC2可可以写成下式：以写成下式：22expCRRRRRtRRRRRURR
15、RUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC同理，负半周时电容同理，负半周时电容C1的平均电流的平均电流:第二节第二节 工转换电路工转换电路16电路特点：电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式
16、电容式传感器。适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。1121CURRRRTIELLC故在负载故在负载RL上产生的电压为上产生的电压为 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL第二节第二节 工转换电路工转换电路17四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路又又称称差动脉宽差动脉宽(脉冲宽度脉冲宽度)调制电路调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。第二节第二节 工转换电路
17、工转换电路 图 4-6 差动脉冲调宽电路原理图 S1 S2 S3 A2 A1 UL 图图4-6为差动脉冲调宽电路原为差动脉冲调宽电路原理图，图中理图，图中C1、C2为差动式传感为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，是两个比较器，Ur为其参考电为其参考电压。压。18第二节第二节 工转换电路工转换电路U0 0 UC 2 Ur 0 t t t Ur U Uo-U 0 UC 2 Ur 0 0 UC 1 t t t T1 T2 T1 T2 a)C1
18、=C2时 输 出 波 形 b)C1C2时 输 出 波 形 图 4-7 差 动 脉 冲 调 宽 电 路 各 点 电 压 波 形 Ur 0-U Uo UC 1 U 19UAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，得到直流电压U0为为 UTTTTUTTTUTTTU21212122110UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间；的充电时间；U1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间的充电时间T1、T2为为 rLLLUUUCRTln11rLLLUUUCRTln22则则 UCCCCU21210因此，输出的直
19、流电压与传感器两电容差值成正比。因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。触发器的参考电压。第二节第二节 工转换电路工转换电路20 设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为1、2和和S1、S2，将平行板电容公，将平行板电容公式代入上式，对式代入上式，对差动式变极距型差动式变极距型和和变面积型变面积型电容式传感器可得电容式传感器可得 可见差动脉冲调宽电路能适用于可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器任何差动式电容式传感器，并具有理论，并具有理论上的上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。这是十分可贵的性质。另外，差动脉冲调宽电路
20、采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。USSSSUUU1212021120；第二节第二节 工转换电路工转换电路21五、运算放大器式电路五、运算放大器式电路其其最大特点是最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图。其原理如图将将Cx=
21、代入上式得代入上式得 -AuoCCxu图图4.8 运运算放大器式算放大器式 电路原理图电路原理图uCCuCjCjuxx1)(10/)(SSuCu0第二节第二节 工转换电路工转换电路22讨讨论：论：负号表明输出与电源电压反相。负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗，输入阻抗Zi=，因此仍然，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般存在一定的非线性误差，但一般A和和Zi足够
22、大，所以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。第二节第二节 工转换电路工转换电路23六、调频电路六、调频电路l电容传感器为振荡谐振回路的一部分；电容传感器为振荡谐振回路的一部分；l输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。l频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。第二节第二节 工转换电路工转换电路 图 4-9 调频 测 量电 路 原 理框 图 调 频 振 荡 器 限 幅 鉴 频 放 大 输 出 电 容 传 感 器 C0 24第二节第二节 工转换电路工转换电路调频振荡器的振荡频率调频振荡器的振荡频
23、率 为为式中式中 L谐振回路的电感谐振回路的电感(H)；C总电容总电容(F)；C1谐振回路的固有电容谐振回路的固有电容(F)；C2传感器引线的分布电容传感器引线的分布电容(F)；C0 C传感器的电容传感器的电容(F)。当被测信号为零时，振荡器有一个固有频率。当被测信号发生当被测信号为零时，振荡器有一个固有频率。当被测信号发生变化时，振荡器频率随之变化。变化时，振荡器频率随之变化。20121CCCCCLCf25 一一、主要性能、主要性能（一）静（一）静态灵敏度态灵敏度是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于比
24、。对于变极距型变极距型其静态灵敏度其静态灵敏度kg为为 011/gCCk 23401gCk第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点第四章第四章 电容电容传感器传感器26 可见其可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化。减。减小小可以提高灵敏度。但可以提高灵敏度。但过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为3kVmm）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于 103kV/mm）或塑料）或塑料膜来改善电容器耐压性能。膜来改善电容器耐压性能。对于
25、对于圆柱形变面积型圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为电容式传感器，其静态灵敏度为第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点120/ln2rrlClCkg灵敏度取决于灵敏度取决于r2/r1，r2与与r1越接近，灵敏度越高越接近，灵敏度越高。虽然内外极筒原。虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。器的线性。27另另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动结构形式差动结构形式来提高静态来提高静态灵敏度，一般灵敏度，一般提高一倍
26、提高一倍。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为静态灵敏度为 212121224/ln/ln/ln/gllllCkllrrrrrr 可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式传感器在忽略传感器在忽略边缘效应边缘效应时，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其时，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静态灵敏度为常数。静态灵敏度为常数。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点28显显然，输出电容然，输出电容C与被测量之间是非
27、线性关系。与被测量之间是非线性关系。只有当只有当/1时，略去时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为各非线性项后才能得到近似线性关系为 CC0(/)。由于。由于取值不能大，否取值不能大，否则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内，则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内，而且而且最大应小于极板间距最大应小于极板间距的的1/51/10。/1100CCC(二二)非非线性线性 对对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：3201CC第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、
28、特点和设计要点29可可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。采用差动形式，并取两电容之差为输出量采用差动形式，并取两电容之差为输出量C42012CC第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点30二、特点二、特点主要优点：主要优点：1温度稳定性好温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，有利于选择温度系数低的材料；有利于选择温度系数低的材料；因本身发热极小，影响甚微因本身发热极小，影响甚微。2结构简单，适应性强结构简单，适应性
29、强电容式传感器结构简单，易于制造。电容式传感器结构简单，易于制造。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。金属作电极，无机材料作支撑。能在金属作电极，无机材料作支撑。能在高低温、强辐射及强磁场高低温、强辐射及强磁场等各等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作。等情况下都能正常工作。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点313动态响应好动态响应好极
30、板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此极板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此其固有频率很高其固有频率很高，动态响应时间短，能在几动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小可以用较高频率供电，因此介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高系统工作频率高。可用于可用于测量高速变化的参数测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。，如测量振动、瞬时压力等。4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任电容传感
31、器可以完成测量任务。当采用非接触测量时务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。粗糙度等对测量的影响。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点32缺点：缺点：1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差容量受其电极几何尺寸限制，一般为几十到几百容量受其电极几何尺寸限制，一般为几十到几百pF，输出阻抗很，输出阻抗很高。尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达高。尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定。因此传感器
32、负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，必须采取现象，必须采取屏蔽措施屏蔽措施。容抗大还要求传感器容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高绝缘部分的电阻值极高（几十（几十M以上），以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低）。低）。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点332寄生电容影响大寄生电容影响大l表现：表现：传感器的初始电容量很小，而其引线传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线可导线可达达800pF)、测量电路的、测量电路的杂散电容杂散电容以及以及传感器极板
33、与其周围导体构成的传感器极板与其周围导体构成的电容电容等等“寄生电容寄生电容”却较大。却较大。l影响：影响：降低了传感器的灵敏度；寄生电容降低了传感器的灵敏度；寄生电容(如电缆电容如电缆电容)常随机常随机变化，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆选择、安变化，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆选择、安装、接法有要求。装、接法有要求。l措施：措施：随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。第三节第三节 主要性能、特点和
34、设计要点主要性能、特点和设计要点34三、三、设计要点设计要点1减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能主要影响：主要影响：温度变化使传感器内各零件的温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置几何尺寸和相互位置及某些及某些介质的介电介质的介电常数发生改变常数发生改变,从而改变传感器的电容量从而改变传感器的电容量,产生温度误差。产生温度误差。湿度也影响某些介质的湿度也影响某些介质的介电常数介电常数和绝缘电阻值和绝缘电阻值。措施：措施：l电极设计：电极设计：金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金；也可采用金属电极的材料以选用温度系数
35、低的铁镍合金；也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。缘效应极为有利。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点35l密封：密封：内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮；内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮；在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。l电极支架设计：电极支架设计：要有一定的机械强度外还要有稳
36、定的性能。因此选要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。支架。l电介质选择：电介质选择：尽量采用空气等介电常数近零的电介质。尽量采用空气等介电常数近零的电介质。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点362消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应适当适当减小极间距减小极间距，使电极直径或边，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘
37、效应的长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。很小，这样也可减小边缘电场的影响。结构上增设结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等位环等位环3与电极与电极2在同一平面上并将电在同一平面上并将电极极2包围，包围，且与电极且与电极2电绝缘但等电位电绝缘但等电位，这就能使电极这就能使电极2的边缘电力线平直，的边缘电力线平直，电极电极1和和2之间的电场基本均匀，而发之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环散的边缘电
38、场发生在等位环3外周不外周不影响传感器两极板间电场。影响传感器两极板间电场。图图4-10 带带有等位环的平板电容有等位环的平板电容传感器结构原理图传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点373消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响 寄寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法：（1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用采用减小极片或极
39、筒间的间距减小极片或极筒间的间距(平板式间距为平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距，圆筒式间距为为0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或或工作长度工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在范围内，相对值变化在 10-61范围内。范围内。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点38 （2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中
40、可动极筒与连杆固定在一图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。此产生的虚假信号。引线电缆也必须屏蔽在传引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。感器屏蔽壳内。为减小电缆电为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离
41、。路前置级的距离。绝缘体绝缘体屏蔽壳屏蔽壳固定极筒固定极筒可动极筒可动极筒连杆连杆导杆导杆图图4-11 接接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点39（3）集成化）集成化 将将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变固定不变，使仪器工作稳定，使仪器工作稳定。（4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术适用情况：当电容式
42、传感器的电容值很小，而因某些原因适用情况：当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较如环境温度较高高)，测量电路只能与传感器分开。，测量电路只能与传感器分开。引线为引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线即电缆芯线)通过通过1:1放放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不
43、影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点40外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。1：1测量测量电路电路前置级前置级外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传感器传感器图图4-12 “驱动电缆驱动电缆”技术原理图技术原理图第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点41（5）采用运算放大器法）采用运算放大器法l电容传感器的一个电极经电容传感器的一个电极经电缆芯线电缆芯线接运算放大器的虚地接运算放大器的虚地点点,电缆的屏蔽电缆的屏蔽层层接仪器地接仪器地,这
44、时与传感器电容相并联的为等效电缆电容这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1A)，因而，因而大大地减小了电缆电容的影响。大大地减小了电缆电容的影响。l外界干扰因外界干扰因屏蔽层屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。接仪器地，对芯线不起作用。l传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。-AuoCCxu图图4-13 利利用运算放大器式电路虚地点用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图减小电缆电容原理图第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点42（6）整体屏蔽法）整体屏蔽法l 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同
45、一个屏蔽将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。干扰。l差动电容式传感器交流电桥差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点接地点选择在两固定辅助阻抗臂选择在两固定辅助阻抗臂 Z3和和Z4中间中间。l电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容CP1和和CP2分别与分别与Z3和和Z4相并联相并联。如果如果Z3和和Z4比比CP1和和CP2的容抗小得多，则寄生电容的容抗小得多，则寄生电容CP1和和CP
46、2对电桥平对电桥平衡状态的影响就很小。衡状态的影响就很小。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点43第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点 Cp2 C1 C2 图4-14 交流电容电桥的屏蔽系统 Cp1 Z3 Z4 A 444防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当当外界干扰外界干扰(如电磁场如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。接地点不同所产生的接地电压差也是一种干送至测量电路时就会产生误差。接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故
47、障。防止和减小干扰的措施归纳为：扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：u屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。u增加原始电容量，降低容抗。增加原始电容量，降低容抗。u导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。u尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。u采用差动式电容传感器
48、，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。生电容的影响和温度、湿度等误差。第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点45电容式传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适电容式传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。一、传统变极距式电容传感器一、传统变极距式电容传感器第四节第四节 应用举例应用举例图示传感器特点：图示传感器特点：结构简单、灵敏度高、结构简单
49、、灵敏度高、响应速度快，能从微小压差。响应速度快，能从微小压差。结构：结构：玻璃圆盘凹面深玻璃圆盘凹面深25m，镀金形成电容，镀金形成电容式传感器两固定极板；式传感器两固定极板；膜片为可动电极，感知两侧压力。膜片为可动电极，感知两侧压力。p2 玻璃盘 镀金层 金属膜片 C2 图 4-16 电容式差压传感器原理结构 电极引线 p1 C1 第四章第四章 电容电容传感器传感器46定栅 动栅和定栅的安装 屏蔽极 S M1 M2 M3 M4 4l0 4l0 4 8 l0 输出 动栅 公共接收极 R 2 3 5 6 7 8 8 8 1 1 1 2 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 3 4
50、 5 6 7 二、容栅式传感器二、容栅式传感器主要特点：主要特点：工作原理基工作原理基于变面积型电容传感器。于变面积型电容传感器。具有电容式传感器的优具有电容式传感器的优点，又具有点，又具有多极电容多极电容的的平均效应，可采用平均效应，可采用闭环闭环反馈式等测量电路反馈式等测量电路。测。测量精度提高（量精度提高（5m），），量程扩展（量程扩展（1m）。）。应用：应用：数显卡尺、测长数显卡尺、测长机等数显量具。机等数显量具。容栅测量系统：容栅测量系统：栅状电栅状电容极板测量电路容极板测量电路图图4-17 反反射式容栅传感器结射式容栅传感器结构构和和安装示意图安装示意图第四节第四节 应用举例应用举
