第四章 电容传感器

C 2 C0 0
( / 0 ) L 100% / 0 0
3
2
C0 C K 2 0
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差动变极距（δ ）型 电容传感器
差动变面积（S）型 电容传感器
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2.变面积（S）型电容传感器
2
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1. 变极距（δ ）型电容传感器
由上面两式知，δ0减少可使灵敏度K增大，但非线 性误差也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏 度，减少非线性误差。 3 5 C C1 C 2 2C 0 ( ( ) ( ) ) 0 0 0
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⑵.用于测量厚度或介电常数的变介质传感器 d为两电极板之间的 间距，d1为被测电介 质的厚度，极间空 气介质的厚度为 d0=d－d1
0 S 1S

C 0C 1 d 0 d1 S C C 0 C1 0 S 1 S d 0 d 1 d0 d1 0 1
当其中一个极板移动距离为x时，
b(a x ) x Cx C 0 (1 ) a
C0 b dC 灵敏度 K dx a
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⑶.圆柱形
设r1、r2为内、外圆筒半径， 忽略边缘效应，内外筒间的 电容值为：
2 l C ln( r2 / r1 )
求允许的极距最大变化量△δ max。
3.简述差动脉冲调宽电路的优点，并推导变面积型差动 电容传感器的输出电压。
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武汉理工大学自动化学院
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三、差动脉冲调宽电路
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基本RS触发器
S
0 0 1 1
R
0 1 0 1
Q n+1
不定 1 0 不变
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三、差动脉冲调宽电路 T1 U AP UH T1 T2
U BP
T2 UH T1 T2
2h1 1 C2 ln( R / r )
C C1 C2 2 (h h1 ) 2 2 h1 1 ln( R / r ) ln( R / r ) C与液位高度h1成正比 2 h 2 2 h1 ( 1 2 ) . A Kh1 ln( R / r ) ln( R / r )
可见，这是一个非线性传感器。
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第二节
1、单臂桥
转换（测量）电路
（1）初态时：电桥调整到 平衡状态，此时C1C3=C2CX ，Uo=0。 （2）工作时：CX发生变化 ，电桥不平衡；即CX变化 一个Δ CX，则电桥输出 Δ Uo，电容变化量越大，电 桥输出电压越大，输出电压 能线性反映电容量的变化。
2 l 2 ( l l ) 2 l l C C0 ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
l 为有效长度
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3.变介电常数(ε )型电容传感器
⑴.电容液位计
2h2 2 2 ( h h1 ) 2 C1 ln( R / r ) ln( R / r )
缺点：
寄生电容影响较大，降低了测量灵敏度；
与传感器联接的线路较复杂。
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电容式传感器
1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化

两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
S r 0 S C
+ + +
S

当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。 如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。
UH T1 R1C1 ln UH U f
UH T2 R2 C 2 ln UH U f
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三、差动脉冲调宽电路
U O U AP U BP T1 T2 R1C1 R2C2 UH UH T1 T2 R1C1 R2C2
设 R R1 R2
C1 C2 UO UH C1 C2
若 C1 C0 C
C2 C0 C
C UO UH C0
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（1）变d型
对于变d型差动电容传感器，传感电容的大小与 极间距离d成反比，此时差动输出电压平均值可改 写为 C C
Uo
补偿措施： 缩短传感器到测量电路前置级的距离；
驱动电缆法；
整体屏蔽法
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第四节
电容式传感器的应用
一、电容式差压变送器
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二、电容式测微仪
CX
0S
h
1 C0 Uo h 1U i 2 0S
⑴.角位移式
当转角
当转角
S R C0 2
0
时：
2
0 时： 2 R ( ) C C0 (1 ) 2 C0 灵敏度 K
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⑵.直线位移式
初始时
S ab C初态时：两传感器电容C1=C2=C0， △ C1=△ C2=△ C=0， U C U 0
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C0
U0 0
（1）初态时：两传感器电容C1=C2=C，此时 电桥空载输出，即电桥处于平衡状态。
（2）工作时 ：
C1 C2
C 0 U 0 0
第四章
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节
电容传感器
工作原理与类型
转换（测量）电路 电容式传感器的误差分析 电容式传感器的应用 电容式集成传感器
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电容传感器
优点：
测量范围大，相对变化量可大于100％;
灵敏度高，分辨率高； 动态响应时间短； 机械损失小； 结构简单，适应性强，可非接触测量。
C1 C 2 S1 S 2 S Uo UH UH UH C1 C 2 S1 S 2 S
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第三节 电容式传感器的误差分析
一、温度影响
1. 温度对结构尺寸的影响 温度主要影响传感器的结构尺寸。当温度上 升时，电容器极板的面积将增大，极板的厚度增 加导致极间距离减小，使电容量增加。 补偿措施： 选择温度系数小的金属材料作电容器极板； 采用差动结构。
S
电容微位移计


0
(

0
) (
2

0
)3
/ 0 0
忽略高次项
C C0 0
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1. 变极距（δ ）型电容传感器
灵敏度：
C C 0 S K 2 0 0
线性度：
( / 0 ) L 100% / 0 0
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第二节
转换（测量）电路
二、运算放大器测量电路
UO Zx C0 C0 U Z0 Cx S U C0 UO S
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二、运算放大器测量电路
C0为固定电容，Cx为传感器电容，R1和R2为平衡电 阻，Rw为调零电位器
1
2
C1 C2
UH
1 2
2
1
UH

UH
即对应于C1=C+Δ C，C2=C－Δ C，此时d1=d－Δ d ，d2=d+Δ d。
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（2）变S型
对于变S型差动电容传感器，传感电容的大小 与极板的有效面积S成正比，即对应于 C1=C+Δ C，C2=C－Δ C时，S1=S+Δ S，S2=S －Δ S，此时差动输出电压平均值可改写为
C0 U N C Ui X U N Ui UR U R U R1 U Rw U R2 U 1U Uo i R 2 1 C0 1 C0 1U i 1U i 解得 U o C 2 x 2 S
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三、电容式液位计
2 hx Cx ln(d 2 / d1 )
电容式液位计探头结构图
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作业题：
1.若有一单组式变面积型平板型线位移电容传感器，两 极板相互覆盖宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极 板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移 动2mm，求电容变化量？ 2.对变极距式电容传感元件，若初始极板间距为δ 0=1mm ，当电容C的线性度规定为： (1)0.1%；（2）1%； （3）2%时
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2、温度对介质介电常数的影响
电容器极板间的介值应选择介电常数较 稳定的材料，如云母。
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二、电容电场的边缘效应
补偿措施：增加电容器极板面积、减小极间 距离、加装等电位环等。
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三、寄生与分布电容的影响
二、类型 1. 变极距（δ）型电容传感器 2. 变面积（S）型电容传感器 3. 变介电常数（ε）型电容传感器
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电容传感器的结构形式
？
1. 变极距（δ ）型电容传感器