第4章 电容式传感器讲解
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27
四、二极管T型网路
电源为负半周： D1截止，D2导通 Cx1放电，Cx2充电
当 Cx1=Cx2 ∵ D1，D2特性相同，且R1=R2 在一周期内，流经RL的平均 电流为0； 当 Cx1≠Cx2 在一周期内，流经RL的平均电 流不为0，有信号输出；
28
五、脉冲宽度调制电路
1. 组成： 两个比较器、双稳态触发 器及两个充放电回路； 2.工作过程：
• 起始电容在 20～100pF之间, • 极板间距离在25～200μm的范围内, • 最大位移应小于间距的1/10,
故在微位移测量中应用最广;
10
三、面积变化型
面积变化型
线位移型 角位移型
平面形直线位移式
圆柱形直线位移式
角位移式
11
三、面积变化型
初始电容 上极板右移ΔL
电容变化量 灵敏度 优点：输入与输出呈线性关系
一、等效电路
等效电容
Ce
C
1 2CLs
1(
C f/
f0 )2
f0
2
1 LsC
为电路的谐振频率
电容的实际相对变化
① 实际相对电容变化量与转换元件的固有电感有关，应用 时需保持电容式传感器的标定和测量在相同条件下进行；
②只有在激励信号频率远离谐振频率时，才能获得电容式 传感元件的正常工作；
电容式传感器测量电路
电路交流电桥测量电路（掌握概念，了解原理、特点） 运算放大器测量电路（牢固掌握原理、特点，了解其结构） 调频测量电路（掌握概念，掌握原理、特点） 二极管T型网络（掌握概念，掌握原理、特点） 脉冲调制测量电路（掌握概念，了解原理、特点）
电容式传感器的误差分析（了解） 电容式传感器的医学应用（了解）
3
一、工作原理
基本类型
极距变化型 （变间距型电容式传感器） 面积变化型（变面积型电容式传感器） 介电常数变化型（变介电常数型电容式传感器）
4
二、极距变化型
初始电容 极板上移 电容变化量
5
二、极距变化型
极距变化型电容传感器的灵敏度：
（若
）
6
二、极距变化型
极距变化型电容传感器的灵敏度：
相对非线性误差：
时，才有近似的线性输出，只适用于小范围位移测量。 克服非线性和提高灵敏度矛盾
7
二、极距变化型
差动式结构 初始位置：d1=d2=d ,C1=C2=C0 动极板下移Δd:
电容总相 对变化量
8
二、极距变化型
电容总相对变化量：
灵敏度 相对非线性误差
单电容式 传感器
9
一般变间距型电容式传感器
17
四、变介电常数型
储存罐体积
灵敏度
18
第二节 电容式传感器测量电路
交流电桥测量电路 运算放大器测量电路 调频测量电路 双T电桥电路 脉冲宽度调制测量电路
19
一、交流电桥测量电路
Z1 :电容式传感器阻抗； Z2 ， Z3 ， Z4 :固定阻抗；
U s : 电源电压；
U o: 电桥输出电压；
)
减小边缘效应的方法：
1.极板应做得极薄使之与极间距相比很小， 2.可在结构上增设等势环来消除边缘效应。
均匀电场
3
2
固定
等势环
3边 缘 电 场
可动极板 1
带有等势环的平板电容传感器结构原理图
37
三、寄生与分布电容
具有随机性的寄生与分布电容的干扰，严重影响传 感器的输出特性。消灭寄生与分布电容影响，是电容 式传感器实用的关键。
③电容式传感器的电容C和Ls，一般都很小，在激励信号 频率较低时，电容传感元件本身可用纯电容表示；
35
二、边缘效应
实际上当极板厚度h与极距d 之比相对较大
时，边缘效应的影响就不能忽略。对极板半 径为r的变极距型电容传感器，其电容值应 按下式计算：
C
r2
d
r
ln
16 r
d
1
f
23
三、调频测量电路
1. 组成：电容式传感器的电容、固定电容和固定电感 组成高频LC振荡回路； 2. 原理
24
振荡器的振荡频率：
被测量无变化 ΔC = 0
L :振荡回路的电感； C :振荡回路的总电容；
Cp : 寄生电容；
Cg :振荡回路的固定电容；
25
三、调频测量电路
被测量无变化 ΔC = 0 被测量有变化 ΔC ≠ 0
33
一、等效电路
C：传感器电容 Rp: 并联损耗电阻 很大 Rs : 串联损耗电阻 较小 Ls : 总电感 Cp：寄生电容
等效阻抗 一般 Rp、 Rs的影响可忽略：
总阻抗为：
jLs 1 1 2CLs jC jC
等效电容： Ce
C
1 2CLs
1(
C f/
f0 )2
34
能正常工作。
39
三、寄生与分布电容
⑵整体屏蔽法
将电容式传感器和所采用的测量电路、传输电缆 等用同一个屏蔽壳屏蔽起来。
以差动电容传感器Cx1、Cx2 配用电桥测量电路为例： U为电源电压，K为不平衡 电桥的指示放大器。 所谓整体屏蔽是将整个电 桥(包括电源、电缆等)统一 屏蔽起来； 其关键在于正确选取接地 点，本例中接地点选在两平 衡电阻R3、R4桥臂中间，与 整体屏蔽共地。
x (1d0 0d1)L
常数
14
四、变介电常数型
2. 圆筒式液位传感器
同轴圆筒电极
被测液体介电常数:ε1 电容器的高度:H 液面高度:h 内筒外半径：r 外筒内半径：R
C 2L
ln( R r )
电容C与液面高度h呈线性关系
15
四、变介电常数型
16
四、变介电常数型
当液位为零时电容最小 当液位最大时电容最大
⑴驱动电缆法 它实际上是一种等电位屏蔽法。在电容传感器
与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入 增益为1的驱动放大器，(接线如图示)。
38
三、寄生与分布电容
芯线
传 感 器
＋ 1：1
－ 内屏蔽 层
外屏蔽 层
测量 电路 前置级
“驱动电缆”技术原理图
这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了 芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影 响。保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也
C1 C2
U
i
Cx
20 (L x)
ln( R / r)
（1）要使Uo 与x呈正比
Cx
C1
CF
C2
31
Uo
Cx CF
Ui
-
(L x)Ui L
（2）传感器灵敏度
Cx
2 0 (L x)
ln(R / r)
（3）传感器测量变换系统输出电压灵敏度
32
第三节 电容式传感器的误差分析
调频测量电路特点 1. 灵敏度高，可测0.01μm位移变化； 2. 抗干扰能力强，稳定性好； 3. 输出是频率信号，可长距离发射和接受收； 4. 可获得高电平的直流信号，达伏特级； 5. 温度及寄生电容对测量精度影响较大；
26
四、二极管T型网路
二极管双T型交流电桥； 1. 组成
2. 工作过程 电源为正半周： D1导通，D2截止 Cx1充电，Cx2放电
(
h d
)
边缘效应因子表
h d f (h) d
0.02 0.098
0.04 0.168
0.06 0.230
0.08 0.10 … 0.285 0.335 …
1.00 1.20 1.40 1.390 1.590 1.630
36
二、边缘效应
C
r2
d
r
ln
16
d
r
1
f
(
h d
12
四、变介电常数型
变介电常数型
1. 平板型线位移传感器
无介电常数为ε1的电介质时
插入介电常数为ε1的电介质时
13
四、变介电常数型
C
C0
(1 0 )d1C0 (1d0 d0 1)L
x
电容C与介电常数为ε1的电介质的位移呈线性关系
灵敏度
x k C (1 0 )d1C0
第4章 电容式传感器
1
第一节 基本工作原理、结构及特点
2
一、工作原理
利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换 为电容量变化的传感器件。
ε：两极板间介质的介电常数； ε0：真空的介电常数， 0 8.854 10-12 F / m； εr：两极板间介质的相对介电常数； S：两极板相互覆盖的面积； d：两极板间距离；
47
The End Thank you!
48
初始若a为高电势时：Cx1充电 A1产生脉冲 触发器翻转
a为低电势，b为高电势： Cx2充电， Cx1迅速放电， A2产生脉冲 触发器翻转
29
五、脉冲宽度调制电路
双稳态触发器两输出端各 产生一宽度受Cx1和Cx2调 制的方波信号；
T1、T2 : Cx1和Cx2充至Uf需要的时间；
30
解：∵
U0
Us
: 电源电压；
E
Us
E
Uo : 电桥输出电压；
变极距型 变面积型
22
二、运算放大器测量电路
电容式传感器作为电路的反馈元件接着运算放大器的输入 端和输出端之间；
C :电容式传感器电容；
Co : 固定电容；
Ui
: 电源电压；
Uo
: 输出电压；
此电路能解决变极距型电容式传感器的非线性问题
1
Ui (CR0
/
Cx0
)
R1 W R2 Ui
Uo
测量电路
1 Cx
1 Cx0
(1
2
)r
2 x
16 Eh3
P
Uo
3 2
1 P
100 200 300 mmHg 输出特性
43
二、电容式微音器
切光片 窗口
参比接收室
参比光束
测量光束 测量接收室
可动电极 固定电极
（薄膜）
44
三、电容式位置传感器
电桥初始处于平衡状态 被测量变化时
20
一、交流电桥测量电路
被测量变化时
设桥臂比
且
电桥的桥臂系数 传感器阻抗相对变化率 对电容传感器
Z
Z1
输出电压
U U K C
oLeabharlann Baidu
Cs
21
一、交流电桥测量电路
变压器式交流电桥测量电路
C1 ，C2 :差动电容式传感器电容；
E : 感应电动势；
整体屏蔽法原理图
40
第四节 电容式传感器的医学应用
41
一、电容式压力传感器
CR
CX
膜片
排气孔 基座
敏感电容与血压关系
1 Cx
1 Cx0
(1 2 )r2x 16 Eh3
P
工作和参比电极 公共电极
42
一、电容式压力传感器
CR
CX
输出电压
-A
Uo
CR Cx
CR0 Cx0
C Cf
50KHz
+
Us ~_
发送片
接收片
屏蔽片
+
_
Uo
输出电压与位置转角成正比
45
三、电容式位置传感器
心电图测量
信号源 ~
发送片
屏蔽片 接收片
Cf
-
检波 微分
N
+ S
位置
心电
速度
笔式自动平衡心电图测试原理图
46
第4章 电容式传感器
基本工作原理、结构及特点
极距变化型 （变间距型电容式传感器） （牢固掌握） 面积变化型（变面积型电容式传感器） （牢固掌握） 介电常数变化型（变介电常数型电容式传感器）（掌握）
四、二极管T型网路
电源为负半周： D1截止，D2导通 Cx1放电，Cx2充电
当 Cx1=Cx2 ∵ D1，D2特性相同，且R1=R2 在一周期内，流经RL的平均 电流为0； 当 Cx1≠Cx2 在一周期内，流经RL的平均电 流不为0，有信号输出；
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五、脉冲宽度调制电路
1. 组成： 两个比较器、双稳态触发 器及两个充放电回路； 2.工作过程：
• 起始电容在 20～100pF之间, • 极板间距离在25～200μm的范围内, • 最大位移应小于间距的1/10,
故在微位移测量中应用最广;
10
三、面积变化型
面积变化型
线位移型 角位移型
平面形直线位移式
圆柱形直线位移式
角位移式
11
三、面积变化型
初始电容 上极板右移ΔL
电容变化量 灵敏度 优点：输入与输出呈线性关系
一、等效电路
等效电容
Ce
C
1 2CLs
1(
C f/
f0 )2
f0
2
1 LsC
为电路的谐振频率
电容的实际相对变化
① 实际相对电容变化量与转换元件的固有电感有关，应用 时需保持电容式传感器的标定和测量在相同条件下进行；
②只有在激励信号频率远离谐振频率时，才能获得电容式 传感元件的正常工作；
电容式传感器测量电路
电路交流电桥测量电路（掌握概念，了解原理、特点） 运算放大器测量电路（牢固掌握原理、特点，了解其结构） 调频测量电路（掌握概念，掌握原理、特点） 二极管T型网络（掌握概念，掌握原理、特点） 脉冲调制测量电路（掌握概念，了解原理、特点）
电容式传感器的误差分析（了解） 电容式传感器的医学应用（了解）
3
一、工作原理
基本类型
极距变化型 （变间距型电容式传感器） 面积变化型（变面积型电容式传感器） 介电常数变化型（变介电常数型电容式传感器）
4
二、极距变化型
初始电容 极板上移 电容变化量
5
二、极距变化型
极距变化型电容传感器的灵敏度：
（若
）
6
二、极距变化型
极距变化型电容传感器的灵敏度：
相对非线性误差：
时，才有近似的线性输出，只适用于小范围位移测量。 克服非线性和提高灵敏度矛盾
7
二、极距变化型
差动式结构 初始位置：d1=d2=d ,C1=C2=C0 动极板下移Δd:
电容总相 对变化量
8
二、极距变化型
电容总相对变化量：
灵敏度 相对非线性误差
单电容式 传感器
9
一般变间距型电容式传感器
17
四、变介电常数型
储存罐体积
灵敏度
18
第二节 电容式传感器测量电路
交流电桥测量电路 运算放大器测量电路 调频测量电路 双T电桥电路 脉冲宽度调制测量电路
19
一、交流电桥测量电路
Z1 :电容式传感器阻抗； Z2 ， Z3 ， Z4 :固定阻抗；
U s : 电源电压；
U o: 电桥输出电压；
)
减小边缘效应的方法：
1.极板应做得极薄使之与极间距相比很小， 2.可在结构上增设等势环来消除边缘效应。
均匀电场
3
2
固定
等势环
3边 缘 电 场
可动极板 1
带有等势环的平板电容传感器结构原理图
37
三、寄生与分布电容
具有随机性的寄生与分布电容的干扰，严重影响传 感器的输出特性。消灭寄生与分布电容影响，是电容 式传感器实用的关键。
③电容式传感器的电容C和Ls，一般都很小，在激励信号 频率较低时，电容传感元件本身可用纯电容表示；
35
二、边缘效应
实际上当极板厚度h与极距d 之比相对较大
时，边缘效应的影响就不能忽略。对极板半 径为r的变极距型电容传感器，其电容值应 按下式计算：
C
r2
d
r
ln
16 r
d
1
f
23
三、调频测量电路
1. 组成：电容式传感器的电容、固定电容和固定电感 组成高频LC振荡回路； 2. 原理
24
振荡器的振荡频率：
被测量无变化 ΔC = 0
L :振荡回路的电感； C :振荡回路的总电容；
Cp : 寄生电容；
Cg :振荡回路的固定电容；
25
三、调频测量电路
被测量无变化 ΔC = 0 被测量有变化 ΔC ≠ 0
33
一、等效电路
C：传感器电容 Rp: 并联损耗电阻 很大 Rs : 串联损耗电阻 较小 Ls : 总电感 Cp：寄生电容
等效阻抗 一般 Rp、 Rs的影响可忽略：
总阻抗为：
jLs 1 1 2CLs jC jC
等效电容： Ce
C
1 2CLs
1(
C f/
f0 )2
34
能正常工作。
39
三、寄生与分布电容
⑵整体屏蔽法
将电容式传感器和所采用的测量电路、传输电缆 等用同一个屏蔽壳屏蔽起来。
以差动电容传感器Cx1、Cx2 配用电桥测量电路为例： U为电源电压，K为不平衡 电桥的指示放大器。 所谓整体屏蔽是将整个电 桥(包括电源、电缆等)统一 屏蔽起来； 其关键在于正确选取接地 点，本例中接地点选在两平 衡电阻R3、R4桥臂中间，与 整体屏蔽共地。
x (1d0 0d1)L
常数
14
四、变介电常数型
2. 圆筒式液位传感器
同轴圆筒电极
被测液体介电常数:ε1 电容器的高度:H 液面高度:h 内筒外半径：r 外筒内半径：R
C 2L
ln( R r )
电容C与液面高度h呈线性关系
15
四、变介电常数型
16
四、变介电常数型
当液位为零时电容最小 当液位最大时电容最大
⑴驱动电缆法 它实际上是一种等电位屏蔽法。在电容传感器
与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入 增益为1的驱动放大器，(接线如图示)。
38
三、寄生与分布电容
芯线
传 感 器
＋ 1：1
－ 内屏蔽 层
外屏蔽 层
测量 电路 前置级
“驱动电缆”技术原理图
这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了 芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影 响。保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也
C1 C2
U
i
Cx
20 (L x)
ln( R / r)
（1）要使Uo 与x呈正比
Cx
C1
CF
C2
31
Uo
Cx CF
Ui
-
(L x)Ui L
（2）传感器灵敏度
Cx
2 0 (L x)
ln(R / r)
（3）传感器测量变换系统输出电压灵敏度
32
第三节 电容式传感器的误差分析
调频测量电路特点 1. 灵敏度高，可测0.01μm位移变化； 2. 抗干扰能力强，稳定性好； 3. 输出是频率信号，可长距离发射和接受收； 4. 可获得高电平的直流信号，达伏特级； 5. 温度及寄生电容对测量精度影响较大；
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四、二极管T型网路
二极管双T型交流电桥； 1. 组成
2. 工作过程 电源为正半周： D1导通，D2截止 Cx1充电，Cx2放电
(
h d
)
边缘效应因子表
h d f (h) d
0.02 0.098
0.04 0.168
0.06 0.230
0.08 0.10 … 0.285 0.335 …
1.00 1.20 1.40 1.390 1.590 1.630
36
二、边缘效应
C
r2
d
r
ln
16
d
r
1
f
(
h d
12
四、变介电常数型
变介电常数型
1. 平板型线位移传感器
无介电常数为ε1的电介质时
插入介电常数为ε1的电介质时
13
四、变介电常数型
C
C0
(1 0 )d1C0 (1d0 d0 1)L
x
电容C与介电常数为ε1的电介质的位移呈线性关系
灵敏度
x k C (1 0 )d1C0
第4章 电容式传感器
1
第一节 基本工作原理、结构及特点
2
一、工作原理
利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换 为电容量变化的传感器件。
ε：两极板间介质的介电常数； ε0：真空的介电常数， 0 8.854 10-12 F / m； εr：两极板间介质的相对介电常数； S：两极板相互覆盖的面积； d：两极板间距离；
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初始若a为高电势时：Cx1充电 A1产生脉冲 触发器翻转
a为低电势，b为高电势： Cx2充电， Cx1迅速放电， A2产生脉冲 触发器翻转
29
五、脉冲宽度调制电路
双稳态触发器两输出端各 产生一宽度受Cx1和Cx2调 制的方波信号；
T1、T2 : Cx1和Cx2充至Uf需要的时间；
30
解：∵
U0
Us
: 电源电压；
E
Us
E
Uo : 电桥输出电压；
变极距型 变面积型
22
二、运算放大器测量电路
电容式传感器作为电路的反馈元件接着运算放大器的输入 端和输出端之间；
C :电容式传感器电容；
Co : 固定电容；
Ui
: 电源电压；
Uo
: 输出电压；
此电路能解决变极距型电容式传感器的非线性问题
1
Ui (CR0
/
Cx0
)
R1 W R2 Ui
Uo
测量电路
1 Cx
1 Cx0
(1
2
)r
2 x
16 Eh3
P
Uo
3 2
1 P
100 200 300 mmHg 输出特性
43
二、电容式微音器
切光片 窗口
参比接收室
参比光束
测量光束 测量接收室
可动电极 固定电极
（薄膜）
44
三、电容式位置传感器
电桥初始处于平衡状态 被测量变化时
20
一、交流电桥测量电路
被测量变化时
设桥臂比
且
电桥的桥臂系数 传感器阻抗相对变化率 对电容传感器
Z
Z1
输出电压
U U K C
oLeabharlann Baidu
Cs
21
一、交流电桥测量电路
变压器式交流电桥测量电路
C1 ，C2 :差动电容式传感器电容；
E : 感应电动势；
整体屏蔽法原理图
40
第四节 电容式传感器的医学应用
41
一、电容式压力传感器
CR
CX
膜片
排气孔 基座
敏感电容与血压关系
1 Cx
1 Cx0
(1 2 )r2x 16 Eh3
P
工作和参比电极 公共电极
42
一、电容式压力传感器
CR
CX
输出电压
-A
Uo
CR Cx
CR0 Cx0
C Cf
50KHz
+
Us ~_
发送片
接收片
屏蔽片
+
_
Uo
输出电压与位置转角成正比
45
三、电容式位置传感器
心电图测量
信号源 ~
发送片
屏蔽片 接收片
Cf
-
检波 微分
N
+ S
位置
心电
速度
笔式自动平衡心电图测试原理图
46
第4章 电容式传感器
基本工作原理、结构及特点
极距变化型 （变间距型电容式传感器） （牢固掌握） 面积变化型（变面积型电容式传感器） （牢固掌握） 介电常数变化型（变介电常数型电容式传感器）（掌握）