电容式传感器

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图4-3 变介电常数型电容传感器结构原理图
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表4-1 一些介质的介电常数
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4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变极距型 变面积型 变介电常数型 为提高灵敏度， 为提高灵敏度，通常各种结构的电容传 感器多采用差动形式。 感器多采用差动形式。
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对于变极距型电容传感器，为在比较大的范围内使用 对于变极距型电容传感器， 此种传感器， 此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离 d0 ，以 保证比值 不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点， 保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点， 同时也使电容传感器的初始值减小， 同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰 作用将增加。 作用将增加。 变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具 变面积型和变介电常数型（测厚除外） 有很好的线性。 有很好的线性。但实际上由于边缘效应的影响仍存在 非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。 非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
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4.5 电容式传感器的转换电路
传感器把被测量转换成电路参数C，从而使信号能传输、 传感器把被测量转换成电路参数 ，从而使信号能传输、 放大、运算、处理、指示、记录、控制， 放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测 量结果或控制某些设备工作。 同时， 量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路 参数C进一步转换成电压 电流、频率等电量参数。 进一步转换成电压、 参数 进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两大类： 电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两大类： 调制型 脉冲型(或称为电容充放电器 脉冲型 或称为电容充放电器) 或称为电容充放电器
增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。 注意传感器的接地和屏蔽。
图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图
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将传感器与电子线路的前置级（集成化）装在 将传感器与电子线路的前置级（集成化） 将传感器与电子线路的前置级 一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 采用“驱动电缆”技术（也称“双层屏蔽等位 采用“驱动电缆”技术（也称“ 采用 传输”技术）。 传输”技术）。
二、类型
三种：变极距d(或称变间隙）型、变面积s型和 三种：变极距d(或称变间隙） 变面积s d(或称变间隙
变 介电常数ε 介电常数ε型。 形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。 形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。
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图4-1 变极距型电容传感器结构原理
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图4-2 变面积型电容传感器结构原理图
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三、消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联， 寄生电容与传感器电容相关联，影响传 感器的灵敏度， 感器的灵敏度，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。 响仪器的精度，必须消除和减小它。
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消除和减小寄生电容可采用如下方法： 消除和减小寄生电容可采用如下方法
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调幅电路 调幅电路
图4-13 电容式传感器构成交流电桥的一些形式
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电路特点： 电路特点： 1. 电路简单； 电路简单； 2. 电桥输出调幅波，故要求电源电压波动 电桥输出调幅波， 需稳幅、稳频； 小，需稳幅、稳频； 3. 调整复杂，不方便； 调整复杂，不方便； 4. 输出阻抗高，输出电压低，需接高放大 输出阻抗高，输出电压低， 倍数处理电路
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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； ② 寄生电容影响大； 寄生电容影响大； ③ 输出特性非线性
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4.3.2
电容式传感器的等效电路
图4-4 电容式传感器的等效电路 对高频有： 对高频有：
Ce =
C 1 ω LC
2
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4.4 电容传感器的设计要点
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图4-21 电容式加速度传感器结构示意 图
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非导电介质
2πε 0 (h x) 2πε1 x C= + ln( R / r ) ln( R / r )
2π [ε 0 h + (ε1 ε 0 ) x] = ln( R / r ) 2π = C0 + (ε 1 ε 0 ) x ln( R / r )
驱动电缆” 图4-7 “驱动电缆”技术电原理图 驱动电缆
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采用运算放大器法
图4-8 运算放大器法电原理图
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整体屏蔽法
图4-9 两个整体屏蔽法例子
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四、防止和减小外界干扰
屏蔽和接地。 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感 导线和导线要离得远， 导线要尽可能短，最好成直角排列， 应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列 时可采用同轴屏蔽线。 时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体 尽可能一点接地，避免多点按地。 或宽印刷线。 或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差， 高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。 高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。
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结束
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特点
优点：结构简单、适应性强；动态响应好； 优点：结构简单、适应性强；动态响应好；分 辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、 辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、 具有平均效应。 具有平均效应。 不足：输出阻抗高，负载能力差等。 不足：输出阻抗高，负载能力差等。
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图4-19 差动式电容压力传感器
一、保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减 小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性 能。 二、消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。 而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。
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图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图
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运算放大器电路
1/( jω C x ) C Uo = U = U Cx 1/( jω C )
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二、脉冲型电路
脉冲型转换电路的基本原理是利用 电容的充放电。两种性能较好， 电容的充放电。两种性能较好，较常用 的电路为： 的电路为：
双T型充放电网络
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UO
R (R + 2RL ) ≈ R LUf ( C 1 C 2 ) 2 (R + RL )
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4.3 电容传感器的等效电路 4.3.1 电容传感器的特点 优点： 优点：
本身发热小，温度稳定性好； ① 本身发热小，温度稳定性好；
结构简单、适应性强； ② 结构简单、适应性强；
介质损失小，动态响应好； ③ 介质损失小，动态响应好； 可以实现非接触测量， ④ 可以实现非接触测量，具有平均效应
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脉冲调宽型电路
图4-16 脉冲调宽型电路原理图
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图4-17 各点电压波形图
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4.6 电容式传感器的应用举例 电容传感器可用来测量直线位移、角位移， 电容传感器可用来测量直线位移、角位移， 振动振幅（测至0.05m的微小振幅），尤其适 的微小振幅）， 振动振幅（测至 的微小振幅），尤其适 合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加 合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、 液位、料面、粮食中的水分含量、 液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料 的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、 的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、 厚度等等。 厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用 来作为位置信号发生器。 来作为位置信号发生器。
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4.1 电容式传感器的工作原理及类型
电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等) 电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化 转换成电容量变化的--种传感器。 --种传感器 转换成电容量变化的--种传感器。 一、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器， 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器， 如果不考虑其边缘效应， 如果不考虑其边缘效应，其电容为 ε S ε rε 0 S C= = d d 两个极板间介质的介电常数； 式中 ε-- 两个极板间介质的介电常数； εr -- 介质的相对介电常数； 介质的相对介电常数； 真空介电常数（ =8.85× F/m）； ε0 -- 真空介电常数（ε0 =8.85×10-12F/m）； 两个极板相对有效面积； s -- 两个极板相对有效面积； d -- 两个极板间的距离
第4章 电容式传感器
4.1传感器的工作原理及类型 传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性 电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路 电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点 电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路 电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例 电容式传感器的应用举例 本章要点