高精度调频式电容位移传感器
《仪表技术与传感器》2011年总目次
黄
… … …
朝， 余岳辉 ， 俞
挺（ ８ ４— ）
黎
新， 陈育荣 ， 王生 怀（ ０—１ １ ）
喷水织机主轴位置 多路输 出集 成式磁编码器原理与应用 ……
… … … … … … … … … … …
还原再氧化工艺下 Ｂ ＴＯ ａｉ 基 Ｐ Ｃ Ｔ Ｒ元件 的密度与其 电性能
… … … … … … … … … …
微型热敏剪应力传感器 的温度补偿 …………………………… 杨少华 ， 马炳和 （ ９ ９— ） 压 电阵列式模态传感器 的实验研究 … …… … 毛崎 波（ ９—１ ） ２ 锑化铟磁 阻式接近开关特性分析 …… …… … 秦玉伟 （ ９—１ ） ５ 溶解热解前驱体 的处理对 ＳＯ 气敏性质 的影响 …………… ｎ：
… … … … … … … … …
庞士信 ， 王
超（ ５—１ ）
羽， 周
全 ， １ ７ 等（ ０— ）
勇 （０—１ ） １ ０
光纤位移传感器信号处理 电路 设计 ……………………………
… … … … … … … … … …
利用软磁合金实现动态扭矩非接触测量新方法 ………………
… … … … … … … … …
潘 国峰 ， 何
武
平， 王其 民， ４—１ 等（ ）
基于驻波调制方法 的新 型时栅 位移传感器 ……………………
… … … … … … … … … …
亮 ， 东林 ， 彭 陈锡侯 ， ４— ） 等（ ４
掺 杂 对 纳 米 ＳＯ ｎ 甲醛 敏 感 性 能 的 影 响 … … … … … … … … …
电容式传感器
0 r1 L0 b0
d0
当L=0时，传感器的初始电容 C 0
0 L0 b0
d0
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
C C C 0 ( r 2 1) L 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 C0 C0 L0
4. 变极距型电容传感器
初始电容 C 0 若极距缩小△d
d ) C0 0 r s d C C 0 C 2 d d d d 1 1 d d C 0 (1
0 r s
d
非线性关系
若△d/d<<1时，则上式可简化为
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10
差动式改善其非线性 差动式
1 1 Xc d C S
被测量与d 成线性关系 无需满足 d d
3.4 电容式传感器
3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 电容式传感器的工作原理 电容式传感器主要性能 电容式传感器的特点和设计要点 电容式传感器等效电路 电容式传感器测量电路 电容式传感器的应用 容栅式传感器
由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此
1 1 1 LC 1 j L R j L jCe jC jC jC
2
Ce
C 1 2 LC
C C Ce Ce Ce 2 1 LC 1 2 L(C C ) C C C C C Ce Ce 2 2 1 L(C C ) 1 L(C C ) 1 2 LC
高精度调频式电容位移传感器
高精度调频式电容位移传感器陈泓波;黄向东;刘立丰;朱加兴【摘要】This paper designed non-contact FM displacement capacitance sensor,which was based on the difference frequency FM technology. The circuit was consisted of two sin signal generators, down-conversion circuit and discriminator. Experimental results show that resolution of 5 run can be achieved by this sensor, and it has good linearity.%设计了一种单极板调频式电容位移传感器,可实现非接触微位移测量.其原理为通过双路差频方法得到位移-频率的调制信号,再由乘法器鉴频得到位移变化量.电路包括测头及LC振荡电路、本振电路、混频下变频电路和鉴频电路.实验表明该传感器分辨力达到5 nm,并具有较好的线性度.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P10-11,26)【关键词】电容;传感器;微位移【作者】陈泓波;黄向东;刘立丰;朱加兴【作者单位】哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言电容位移传感器因其高分辨力、高频响和非接触测量等优点，可实现对旋转轴回转精度、往复机构运动特性以及检定工件尺寸、平直度等的测量，被广泛应用于超精密定位和超精密测量领域。
第4章-电容式传感器资料
,
D1
L ：筒长
C0
rL
1.80ln D0
(L/
cm ; C
/
pF )
D1
D1 a
L
当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当
内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
D0
圆柱形电容式线位移传感器
C1
2
0r L
ln D0
a
C
0
1
a L
,
与a成线性关系。
D1
1.3 变介质型电容式传感器
厚度传感器
聚四氟乙烯外套
设定按钮
智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值 时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正 常使用时，当水位高于该点后，即可发出报 警信号和控制信号。
4-1 电容式传感器的工作原理
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板 电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间 距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高 于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级 的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘 米数量级的位移。
1. 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr
概述
电容式传感器是实现非电量到电容量转 化的一类传感器。 可以应用于位移、振动、角度、加速度等参 数的测量中。 由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨 率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。
电容式液位计
棒状电极（金属管）外面包裹聚 四氟乙烯套管，当被测液体的液面上 升时，引起棒状电极与导电液体之 间的电容变大。
电容式位移传感器原理
电容式位移传感器原理嘿，咱今儿来聊聊电容式位移传感器原理。
你说这玩意儿神奇不神奇？就好像是一个超级敏感的小侦探，能精准地感知物体的位移呢！想象一下啊，电容就像是两个好朋友，它们之间的距离和关系那可是相当重要。
电容式位移传感器就是利用电容的这个特性来工作的。
咱先来说说电容是咋回事儿。
它就好比是一个能储存电荷的小仓库，这仓库的大小和里面东西的多少是有关联的哦。
当有个物体在它附近动来动去的时候，就像是有人在这个小仓库周围晃悠，会影响到仓库的状态。
电容式位移传感器就是抓住了这个变化。
它可机灵了呢，一点点微小的位移都能察觉到。
就好像你脸上多了一颗小痘痘，它都能马上发现，是不是很厉害？它的工作原理呢，其实也不难理解。
传感器里面有两个电极，一个固定，一个可以随着要测量的位移而动。
这不就跟咱走路似的，一个人站在原地不动，另一个人走来走去。
当那个走动的电极动起来的时候，电容就发生变化啦！这变化就像是给传感器发出了信号，告诉它：“嘿，有情况啦！”而且哦，这电容式位移传感器的应用那可太广泛啦！在好多领域都能看到它的身影呢。
比如说在工业生产中，它能精确地测量机器零件的位移，确保生产的质量和精度。
这就好比是一个严格的监工，时刻盯着生产线上的一举一动。
在科学研究中，它也是个大功臣呢！能帮助科学家们获取各种精确的数据，为科学的进步贡献力量。
这就好像是给科学家们配上了一双超级敏锐的眼睛，能看到那些细微的变化。
咱平时生活中也有它的用武之地呀！说不定你家里的某个电器里就有它在默默工作呢。
你说这电容式位移传感器是不是很了不起？它虽然小小的，但是作用却大大的！它就像是一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活和工作提供着保障。
所以啊，可别小瞧了这些科技小玩意儿，它们的本事可大着呢！咱得好好感谢这些聪明的科学家们，是他们让这些神奇的技术走进了我们的生活。
让我们能享受到这么多便利和精确的测量。
不是吗？。
利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤
利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤引言：近年来，随着科技的不断进步和应用的广泛发展，利用电容式位移传感器测量物体位移的技术在各个领域得到了广泛应用。
它通过测量电容的变化来获取物体的位移信息，具有高精度、快速响应和可靠性强的特点。
本文将介绍利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤。
实验材料：1. 电容式位移传感器2. 电容检测电路3. 定位台4. 信号处理器5. 示波器6. 可变电源7. 实验样品实验步骤：步骤一：搭建实验装置首先，将定位台放在水平平稳的台面上，并调整好水平，保证测量的准确性。
然后将电容式位移传感器放置在定位台上，并通过螺丝固定好。
将电容式位移传感器的输出端与电容检测电路相连，再将电容检测电路的输出端连接到信号处理器以及示波器。
步骤二：调整实验参数将可变电源连接到电容检测电路上，根据实验要求设置适当的电压值。
在信号处理器上设置适当的增益和滤波参数，以保证得到清晰、稳定的测量信号。
此外，还需根据实验需求选择合适的采样频率和触发方式。
步骤三：校准电容式位移传感器在进行实际测量之前，需要对电容式位移传感器进行校准。
首先，将实验样品放置在传感器下方，并确保测量范围内没有其他物体干扰。
然后，调整电容检测电路输出的直流电压，使得示波器显示出零位的电压。
此时，可以将样品从初始位置移动到期望的位置，记录示波器上的实时电压。
步骤四：实际测量位移将实验样品放置在传感器下方，并通过定位台调节位置，使样品位于测量范围内。
在示波器上观察传感器输出的电压信号，并记录下对应的位置。
可以通过移动样品，观察位置与电压变化的关系，并得到物体位移曲线。
通过调整实验参数和测量范围，可以得到不同精度和范围的位移测量结果。
步骤五：数据处理与分析将实验测得的位移数据导入计算机，并利用相应的数据处理软件进行处理和分析。
可以通过拟合曲线，求解出位移与电压的数学模型，并计算出位移的准确值。
此外，还可以进行误差分析和精度评价，探究实验结果的可靠性和偏差大小。
电容式传感器
2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
4.温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系， 从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两 方面。
24
四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
27
9
1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
电容式传感器在日常生活中的应用
精密电容位移传感器可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。
该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。
在线电容式水分检测传感器能够在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮机、船舶机械。
监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。
监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。
监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。
从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。
本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。
封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。
可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。
是理想的在线水分检测传感器。
还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。
直接显示，远程控制和报警。
实现数据存储，积算、传输和控制功能。
普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统。
电容式润滑油实时在线监测传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。
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位移传感器的工作原理
位移传感器的工作原理一、引言位移传感器是一种常用的测量仪器，用于测量物体的位移或者位置变化。
它广泛应用于工业自动化、机械加工、航空航天等领域。
本文将详细介绍位移传感器的工作原理。
二、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的测量原理，常见的有电容式、电感式、光电式、压阻式等。
下面以电容式位移传感器为例进行说明。
1. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容器的电容值与电容板之间的距离成反比的原理进行测量。
其基本原理是通过测量电容板之间的电容值来确定位移的大小。
具体工作原理如下：- 位移传感器由两个电容板构成，其中一个电容板固定不动，称为静态电容板，另一个电容板随着位移的变化而挪移，称为动态电容板。
- 当动态电容板与静态电容板之间的距离变化时，电容值也相应发生变化。
- 通过测量电容值的变化，可以确定位移的大小。
2. 工作过程电容式位移传感器的工作过程可以分为以下几个步骤：- 步骤1：传感器的两个电容板之间施加电压，形成电场。
- 步骤2：当动态电容板随着位移的变化而挪移时，电场的分布也会发生变化。
- 步骤3：电容板之间的电容值与电场的分布成正比，因此电容值也会随着位移的变化而变化。
- 步骤4：通过测量电容值的变化，可以得到位移的大小。
3. 应用范围电容式位移传感器具有以下特点，因此在许多领域得到广泛应用：- 高精度：电容式位移传感器具有较高的测量精度，可以满足精密测量的需求。
- 高灵敏度：由于电容值与位移成反比，因此电容式位移传感器对位移的变化非常敏感。
- 宽测量范围：电容式位移传感器可以测量较大范围内的位移，适合于各种不同的应用场景。
三、总结位移传感器是一种常用的测量仪器，通过测量物体的位移或者位置变化来实现对物体状态的监测和控制。
本文以电容式位移传感器为例，详细介绍了其工作原理。
电容式位移传感器通过测量电容值的变化来确定位移的大小，具有高精度、高灵敏度和宽测量范围等特点，广泛应用于各种工业领域。
电容式传感器
电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。
电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。
最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。
[1]中文名；电容式传感器；外文名capacitive type transducer电容计算公式：εS/d应用：测量简介70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。
当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。
但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。
测知电信号的大小，可判断被测量的大小。
这就是电容式传感器的基本工作原理。
[2]分类根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。
电容式传感器 课件
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1
)
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一 常数。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，容易引起电容器击 穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云 母、塑料膜等）作介质。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等 保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生 改变。
特点：运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最 高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的 影响，电路较为复杂且调整困难
2020/1/17
28
C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
电容式位移传感器地设计
电容式位移传感器地设计首先，电容式位移传感器的设计需要确定测量范围和精度要求。
根据具体应用的要求，在设计中确定位移测量的最大范围和精度。
同时需要考虑传感器的线性度和重复性，以保证测量结果的准确性和稳定性。
其次，电容式位移传感器的设计需要确定电极结构。
电容式位移传感器的电极结构通常采用平行板、圆柱体等形式。
平行板结构适合于测量平面位移，而圆柱体结构适合于测量径向位移。
在设计中需要确定电极的形状、尺寸和间隙，以满足测量要求。
然后，电容式位移传感器的设计需要选择合适的信号采集电路。
信号采集电路的设计需要考虑传感器的电容变化与位移之间的关系，选择合适的放大电路和滤波电路，以保证信号的稳定性和准确性。
同时还需要考虑传感器的输出方式，可以选择模拟输出或数字输出，根据具体需要进行设计。
此外，电容式位移传感器的设计还需要考虑传感器的外部结构和保护。
外部结构的设计需要考虑传感器的安装和使用方式，选择合适的材料和尺寸，以满足环境和使用要求。
保护的设计需要考虑传感器的防尘、防水、抗震等特性，以提高传感器的可靠性和耐用性。
最后，电容式位移传感器的设计需要进行实际测试和验证。
通过实际测试，验证传感器的测量范围、精度、线性度、重复性等性能指标，调整和优化设计，以满足实际应用的要求。
综上所述，电容式位移传感器的设计需要确定测量范围和精度要求，确定电极结构，选择合适的信号采集电路，考虑传感器的外部结构和保护，并进行实际测试和验证。
只有进行全面的设计和验证，才能设计出性能稳定、精度高的电容式位移传感器。
一种新型电容式位移传感器电路设计
智能仪表与传感器计算机测量与控制.2010.18(7) Computer Measurement &C ontrol#1701#收稿日期:2009-12-11; 修回日期:2010-01-16。
作者简介:王晓立(1981-),男,湖南邵阳人,硕士研究生,主要从事故障诊断原理及其应用方向的研究。
唐德尧(1944-),男,湖南岳阳人,研究员,主要从事故障诊断与安全工程方向的研究。
朱石砂(1954-),男,湖南湘潭人,教授,主要从事流体传动及控制,智能材料的机理、应用方向的研究。
文章编号:1671-4598(2010)07-1701-02 中图分类号:T P21219文献标识码:A一种新型电容式位移传感器电路设计王晓立,唐德尧,朱石砂(湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭 411105)摘要:针对电容式位移传感器检测电路复杂、输出非线性和只适合微小位移测量等问题,设计了一种基于虚部法电容检测原理的电容式位移传感器;该传感器检测电路采用三角波作为激励,作用于虚部法电容测量电路,得到与被测电容大小成正比,即与位移大小成反比的信号;并运用电容补偿技术,消除寄生电容的影响;与传统的电容式位移传感器相比,该传感器具有良好的线性度,抗干扰性强,相同直径的传感器探头,其测量范围更远。
关键词:电容;位移;传感器;电容补偿A New Design of Capacitive Displacement Sensor Measuring CircuitWang Xiaoli,T ang Deyao,Zhu Shisha(Inst.o f mechanical eng ineer ing,X iang tan U niv,Xiangtan 411105,China)Abstract:As meas uring circuit of Capacitive displacemen t sen sor is complexity,output nonlinearity,on ly suitable for small dis placem ent m easurement and so on,designed a n ovel capacitive dis placem ent sensor b as ed on the principle of capacitan ce measur ed by imagin ary part m ethod.Th e s ensor uses trian gular w ave as the stimulu s,acting on the circuit of capacitance measu red by imagin ary part method,then signal is got,w hich is proportional to the capacitance,inversely proportional to displacemen t.And apply capacitive com pens ation techniqu e to elim-i nate paras itic capacitance effects.C om pare w ith traditional capacitive displacemen t sensors ,it has good linearity,immun ity to interference.An d w ith the same diameter,it can meas ure longer distan ces.Key words :capacitance;dis placem ent;sen sor;capacitive com pens ation0 引言电容式位移传感器由于体积小,电容量只有几pF 到几百pF ,甚至pF 以下,故传感器输出信号比较微弱,制约位移的检测范围。
电容位移传感器的使用方法
电容位移传感器的使用方法电容位移传感器是一种用于测量物体位移的传感器，适用于工业自动化、科研实验室等领域。
本文将介绍电容位移传感器的使用方法，包括安装、连接、校准和维护等方面。
安装在安装电容位移传感器之前，需要确定测量物体的位移方向，以便正确安装传感器。
传感器通常需要安装在测量物体的表面上，并与物体表面保持密切接触。
安装时，应注意以下事项：1.传感器应安装在平稳、稳固的表面上，以确保测量数据的准确性。
2.传感器与测量物体表面之间应先涂上适当的耐高温润滑油，以减小摩擦力并提高灵敏度。
3.传感器的位置应尽量靠近测量物体的中心位置，以获得更稳定的信号。
4.安装后，传感器应该与呈串联状态，需要保持和之前的连接方式一致。
连接安装完成后，需要通过适当的连接方式将传感器与数据采集系统连接起来，以便实时监测物体的位移变化。
传感器的信号通常为模拟信号，需要经过模数转换器进行数字化处理。
连接时，应注意以下事项：1.传感器的连接方式应与数据采集系统中的模数转换器匹配，以便正确采集信号。
2.传感器信号线应尽可能地短，避免其与其他信号线干扰。
3.在连接过程中，应避免接触传感器的内部电路板，以免发生损坏。
4.传感器的连接方式应稳定、可靠，需要定期检查连接处是否松动。
校准校准是保证电容位移传感器测量准确性的重要一步，通过校准可以使传感器输出的电压信号与实际位移一一对应。
校准时，应注意以下事项：1.根据传感器的说明书，设置数据采集系统的校准参数和测量范围。
2.将传感器安装到标准校准装置上，并用线性位移调节器沿着其轴线方向移动，记录测量结果。
3.重复以上步骤，根据测量结果计算出校准系数，并输入到数据采集系统中。
4.校准后，应进行一个系统的稳定性测试，确保传感器输出信号的稳定性和一致性。
维护电容位移传感器是一种精密仪器，在使用过程中需要定期进行维护，以确保其长期稳定工作。
维护时，应注意以下事项：1.定期对传感器的工作环境进行检查，避免过度烟尘或湿气等影响传感器性能的因素。
3.6 传感器技术-电容式传感器(2)
U1
，U BP
T2 T1 T2
U1
UAP、UBP—A点和B点的矩形脉冲的平均值； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。
C1、C2的充电时间T1、T2为：
T1
R1C1
ln U1 U1 Ur
T2
R2C2
ln U1 U1 Ur
3.2.3 电容式传感器的信号调理电路
4. 脉冲宽度调制电路
3.2.5 电容式传感器的应用
1. 电容式位移传感器
电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电 容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形 式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量， 此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。 不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。
3.2.5 电容式传感器的应用
2. 调频电路
➢ 把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当 输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率
就发生变化。
传感器
f0
调频振
荡器
fz=f0z±Δf f0z=f0－fb=465kHz
混频器
fb
限幅 放大器
鉴频器
调频振 荡器
输出
非线性 校正
外差式调频电路方框图
3.2.3 电容式传感器的信号调理电路
（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽 （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”技术 （5）整体屏蔽法
3.2.4 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施
4. 寄生电容的影响
驱动电缆法
3.2.4 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施
4. 寄生电容的影响 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干扰。
电容式传感器
A
A
1 A A 1 C0 C2 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
d 若位移量d 很小，且 1 ，上两式可按级数 d0 展开，得:
d d 2 d 3 C1 C0 [1 ( ) ( ) ...] d0 d0 d0
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微 小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示 仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传 输。
这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量， 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流 或者频率。 电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、 二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
RS 代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板
的电阻。
电感 L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 由等效电路可知，等效电路有一个谐振领率，通常 为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时， 谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择 低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正 常工作。
§4.4电容传感器的测量电路
结构形式二
电容传感器分类比较
§2电容式传感器的输出特性
差动电容传感器的结构如图3—4所示( )其输出特性 曲线如图 3—5 所示。在零点位置上设置一个可动的接 地中心电极，它离两块极板的距离均为d。当中心电极 在机械位移的作用下发生位移 d 时，则传感器电容 量分别为
1 1 C0 C1 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
具有以下特点：
一、 体积小，精度高，重量轻。能在极小的空间里实现多
种功能；
二、 性能稳定，可靠性高。由于MEMS器件的体积极小，
第四章 位移传感器
第一节 电容式传感器 （capacitive sensors) 特点：结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触 测量、具有平均效应，能在高温、辐射等恶劣条件工作。 应用：可用来检测位移 、压力等参量。 一、工作原理 从结构上来分有：平板式、园柱式电容器。以平板式电容 器为例：平板电容器的容量
C r 0
螺管式 L=KX 几十毫米 线性灵敏度小
二、互感式传感器(差动变压器) （LVDT） 1.原理： 衔铁位移x变化=>互感（M1，M2）变化,如图所示。
I 1 + U 1 L1
x
R1
M1 L21 + U - 21 + U o L22 M2 + U 22 -
说明： （1）与变压器的区别：变压器：闭合磁路，M 为常数； M f ( x) 。 差动变压器：开磁路， （2）输出端采用“反向串联”：其输出为电压，和差动电 桥方式相比，后者灵敏度低一倍： 反向串联与交流电桥的比较如图所示。
（2）相敏检波电路 交流电桥输出的相量可反映被测量的大小和方向，但用一般 的指示仪表却丢失了方向信号。 当衔铁居中时，Z1=Z2。当Z1↑，Z2↓时：
正半周 Ua正，Ub负 VD1、VD4导通 Ua负，Ub正 VD2、VD3导通
AECB支路： Uc↓ AFDB支路： Ud↑ BCFA支路： ↓ BDEA支路： ↑
E Z1 A +
Z2 U
u0 负 u0
u0 负
负半周
负
同理，当Z1↓，Z2↑时， UO 为正。故UO不仅反映线 圈阻抗变化大小，还能反映 变化方向。
VD1 VD2
C Z3 + B U o Z4 D -
A VD3 F VD4
电容式传感器的测量电路调频电路
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附：电容式接近开关
1—检测极板 2—充填树脂 3—测量转换电路 4—塑料外壳 5—灵敏度调节电位器 6—工作指示灯 7—信号电缆
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工作过程（1）
❖ 检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路 安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树 脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板 与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质 因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（ωCR）。当被检 测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电 容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大， LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。
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电容式接近开关
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放松一下！
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❖ 常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。
❖ 1.电桥电路
当电容传感器处于初始位
置时，电桥平衡，电桥输出电
压 • ；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生
变化时，电桥失去平衡，电桥
有电压输出，即 •
。
U0 0
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4.2电容式传感器的测量电路
谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。
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4.2电容式传感器的测量电路
❖ 6.脉冲宽度调制电路
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4.3 电容式传感器的误差及制作要求
❖ 4.3.1 电容式传感器的误差因素
❖ 1.温度的影响 ❖ 3.寄生电容的影响 ❖ 2.漏电阻的影响
电容式位移传感器.ppt
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ或ε发生 变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参 数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变 化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为 电量输出。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1
器有一个固有频率f0,
1
f0= 2[(C1C2C0)L]12
(3 - 20)
当被测信号不为 0 时, ΔC≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为
f2[c (1c1 2c0)L]12f0f
(3 - 21)
调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至 0.01 μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和 与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测 遥控。
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
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为 了能达到较 高 的分 辨 力 ， ｃ振 荡 电路 的振荡 频 率一 般 Ｌ
较 高 。 设 定 振 荡 频 率 在 ３ ９０ ＭＨ ． ９ ｚ时 ， 路 的 灵 敏 度 优 于 电
被测物表 面
圈 ２ 测 头 极 板 边 缘 效 应
图３ 加 保 护 环 后 测 头极 板 电场 分 布
２ ０１１矩
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｔｕｍｅ ｔ Ｔｅ ｈ ｑ ａ ｄ Ｓ ｎｓ ｒ ｎｓｒ ｎ ｃ ｎｉｕｅ ｎ ｅ ｏ
２ １ ０１
Ｎｏ ２ ．１
第 ｌ ２期
高精 度调 频 式 电容 位移 传 感 器
陈泓 波 ， 向 东， 立丰 ， 黄 刘 朱加 兴
（ 尔 滨 工 业 大 学超 精 密 光 电 仪 器 工 程 研 究 所 ， 龙 江 哈 尔 滨 哈 黑 １０ ０ ） ５０ １
２ 电容 传 感器 的 设 计 ２ １ 整 体 设 计 ．
般的Ｌ Ｃ振荡器 的频稳 度只 能达 到 １ ～ ～ｌ 数量 级 ， 宜采 用 。为满 足测量 要求 ， 采用 如 图 ４所示 的类 电容三 点式 的克拉 泼振荡 电路 。 电容三点 Ｊ 式振荡 电路里影 响频 率稳定 度 的主要 因素是 晶体管 极间 电容
１Ｈ ／ ｍ． 降低 鉴频难 度 ， ｚ５ｎ 为 不直 接对 Ｌ Ｃ振荡 电路 的调频 信 号鉴频 ， 而是采 用双 路差频 方法 ， 首先 对 ３ ９ ０ＭＨ 左 右 的调 ．９ ｚ
２２ Ｌ 振荡电路 ． Ｃ
一
频 信号和本振 电路 产生 的频 率 固定 的 ３９ ０ＭＨ ． ８ ｚ正 弦信号 进 行 混频下变频 ， 然后 对差频信号鉴频得 到位 移量 变化 。
Ｃ ＨＥ ｎ — ｏ， Ｎ Ｈｏ ｇ ｂ ＨＵＡＮＧ ａ ｇ ｄ ｎ Ｌ Ｕ Ｌ —ｅ ｇ ＺＨＵ Ｊａ ｘｎ Ｘｉｎ — ｏ ｇ， Ｉ ｉ ｎ ， ｆ ｉ—ｉｇ
（ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｔａ ｐ ｅ ｉ ｏ ｔｅｅｔｏ ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ｉ ｓ ｔ ｔ ｆ ｒ － ｒｃｓ ｎ Ｏｐ ｏ ｌ ｒ ｎｃＩ ｔ ｉ Ｕｌ ｉ ｃ ｎ ｕ ｎ ｇｎ ｅ ｉ ， Ｅ ｎ
ＨａｂｎＩｓｉ ｔ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｈａｂｎ １０ ０ ， ｈｎ ） ｒ ｉ ｎｔｕｅｏ ｃｎ ｌｇ ， ｒ ｉ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ｔ Ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｄ ｓｇ ｅ ｏ －ｏ ｔｃ Ｍ ｉｐ ａ ｅ ｎ ａ ａ ｉ ｎ ｅ ｓ ｎ ｏ ， ｈ ｃ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉ ｅ ｅ ｃ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｅ ｉｎ ｄ ｎ ｎ ｃ ｎ ａ ｔＦ ｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｐ ｃｔ ｃ ｅ ｓ ｒ ｗ ｉｈ ｗａ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｆ ｒ ｎ ｅ ｆ ｑ ｅ ｃ ｃ ａ ｆ ｒ Ｆ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ｈ ｉ ｕ ｔ ｓ ｃ ｎ ｉｔｄ ｏ ｏ ｓｎ ｓｇ ａ ｅ ｅ ａｏ ｓ ｄ ｗｎ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｉ ｕ ｔａ ｄ ｄ ｓ ｒｍｉ ａ ｏ ． ｐ ｒ ｎａ ｅ Ｍ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｔ ｅ ｃｒ ｉ ｗａ ｏ ｓｓｅ ｆ ｗ ｉ ｉｎ ｌｇ ｎ ｒｔ ｒ ， ｏ — ｏ ｖ ｒ ｉｎ ｃｒ ｉ ｎ ｉｃ ｃ ｔ ｃ ｉ ｎ ｔｒ Ｅｘ ｅ ｍｅ ｔ ｒ — ｉ ｌ ｓ ｈ ｈ ｗ ｈ ｔ ｅ ｏｕ ｉｎ ｏ ｍ ａ ｅ ａ ｈ ｅ ｅ ｙ ｔ ｉ ｅ ｓ ｒ ａ ｄ ｉ ｈ ｓ ｇ ｏ ｉ ｅ ｒｔ ． ｕ ｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｓ ｌ ｔ ｆ ｎ ｃ ｎ ｂ ｃ ｉｖ ｄ ｂ ｈ ｓｓ ｎ ｏ ， ｎ ｔ ａ ｏ ｄ ｌ ａｉ ｒ ｏ ５ ｎ ｙ
Ｋ ｅ ｗｏｒ ｓ： ａ ａ ｉａ ｃ ｓ ｎ ｏ ； ｉｒ — ｉｐｌｃ ｍｅ ｔ ｙ ｄ ｃ ｐ ｃｔ ｎ ｅ； ｅ ｓ ｒ ｍ ｃ ｏ ｄ ｓ ａ ｅ ｎ
０ 引 言
传感器测 头电容极板采用单极板 圆形 极板 ， 极板 的边缘效
应产生边缘 附加 电容 ， 图 ２所 示。为 消除边缘 效应带 来 的影 如
保护环 电容极板
ⅡⅡ Ⅲ ⅢⅡ
被测物表面 保 电容极板
调频式 电容传感 器是 将传 感器 电容 接入 高频振 荡 电路 的 谐振 回路 中， 测位 移变化使传感 器测头 电容 ｃ 改变 ， 被 使振 荡
电路 的振荡频率也 随之 改变 ， 经过 鉴频 即可 得到被测 电容 的变
摘要 ： 计 了一种单极板调 频式 电容位移传感 器， 实现 非接 触微位 移测量 。其 原理 为通 过双路 差频 方法得 到位 移 设 可
一
频率的调制信 号 ， 由乘法器鉴频得到位移 变化量 。电路 包括 测头及 Ｌ 再 Ｃ振 荡 电路 、 本振 电路 、 混频 下 变频 电路 和鉴 频
电路 。 实验表 明该传 感器分辨力达到 ５ｎ 并具有 较好 的线性度 。 ｍ， 关键 词 ： 电容 ； 传感 器 ； 微位移
中 图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ２２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ １ １ ０ １ １０ ８ １ ２ １ ） ２— ０ ０—０ ２
Ｈ ｉｈ－ ｅ ｉｉ ｎ ＦＭ ｓ ｌ ｃ ｍ ｅ ｔＣａ ｃｔ ｎｃ ｎ ｏ ｇ ｐｒ ｃｓｏ Ｄｉｐ ａ ｅ ｎ ｐａ ｉａ ｅ Ｓｅ ｓ ｒ
电容位移传感器 因其 高分辨力 、 高频 响和非接触 测量 等优 点， 可实现对旋转 轴 回转 精度 、 复机构 运动 特性 以及 检定 工 往
件 尺寸 、 平直度 等 的测量 ， 被广 泛应 用 于超精 密定 位和 超精 密
测量 领域 。 １ 调 频 式 电容 传 感 器 原 理
响， 在圆形极板外 围加入等 电位保 护环 … ， 如图 ３所 示。