第5章 电容式传感器

它实际上是一种等电位屏蔽法。即：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，并接人增益为1的驱动放大器，( 电缆，并接人增益为1的驱动放大器，(接线 如图示) 如图示)。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；而内、外层屏蔽之间的电容 变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器 是一个输人阻抗很高、具有容性负载、放大 倍数为1 倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要 在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1 在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且 输出与输人的相移为零。为此有人提出，用 运算放大器驱动法取代上述方法
∆C 1 = σ C0 σ0
∆C K= C0
传感器灵敏度
σ
=σ
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（σ） 讨论： 讨论： • 要提高传感器灵敏度 K 应减小初始极距 σ0 ， 初始极距受电容击穿电压限制 受电容击穿电压限制； 但初始极距受电容击穿电压限制； • 非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性 非线性随相对的位移的增加而增加， 度应限制相对位移； 度应限制相对位移； • 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器 起始极距与灵敏度相矛盾， 适合测小位移； 适合测小位移； • 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
εb(a − x) εb x C= = C0 − x = C0 − C0 σ σ a
初始电容
ε ab C0 = σ
∆C x =− C0 a
电容的相对变化量
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变面积型（ 2 变面积型（S） 平板变面积型电容传感器灵敏度
∆C εb K= =− ∆X σ
r r
ε = ε rε 0
介电常数
保持不变， 改变，可作为测厚仪器。 ε保持不变，d改变，可作为测厚仪器。
∆C 1 d = (1− ) C0 σ εr
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变介电常数式（ 3 变介电常数式（ ε ） 测液位高度 根据液体容器的形状计算） （根据液体容器的形状计算）
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路 1.电容传感器的等效电路 驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性， 驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性， 克服寄生电容耦合， 克服寄生电容耦合， 原理是： 原理是： 连接电缆采用双层屏蔽 内屏蔽与被屏蔽的导线 的电位相同。 的电位相同。从而消除 引线与内屏蔽之间的电 容。
第 5章 5.2
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器输出特性 1 变极距型（ 变极距型（
σ）
上静片
差动结构的电容特征方程式为： 差动结构的电容特征方程式为：
σ σ 2 C1 = C0[1+ +( ) +⋅⋅⋅] σ0 σ0
σ１ σ２
Ｃ１ Ｃ２
动 片
σ σ 2 C2 = C0[1− +( ) +⋅⋅⋅] σ0 σ0
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路 1.电容传感器的等效电路 • 驱动电缆技术是一种 等电位屏蔽法， 等电位屏蔽法 ， （ 跟随 器 ） 使传输电缆与内屏 蔽层等电位， 蔽层等电位 ， 消除芯线 对内层屏蔽层的容性漏 电 ， 从而消除寄生电容 的影响。 的影响。
结论： 结论： • 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， • 非线性误差减小（多乘 ∆σ / σ0 因子）。 非线性误差减小（ 因子）。
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变面积型（ 2 变面积型（S） 平板电容：当动极板移动Δ 后两极板间电容量为： 平板电容：当动极板移动ΔX后两极板间电容量为：
传感器原理及应用
第5章 电容式传感器
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
主要内容： 主要内容：
5.1 5.2 5.3 5.4 电容传感器工作原理和类型 电容传感器输出特性 电容传感器测量电路 电容式传感器的应用举例
第 5章 概述
电容式传感器
传感器原理及应用
电容式传感器的特点是： 电容式传感器的特点是： • 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 小功率、高阻抗;本身发热影响小; •测量范围大，金属应变丝的应变范围一般低于1%。半导 测量范围大，金属应变丝的应变范围一般低于1% 1%。 体应变片可达20% 电容式传感器相对变化量可大于100% 20%， 100%； 体应变片可达20%，电容式传感器相对变化量可大于100%； • 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗; 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗; • 静电引力小（极板间），机械损失小，工作所需作用力 静电引力小（极板间），机械损失小， ），机械损失小 很小，因而有较高精度； 很小，因而有较高精度； • 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； • 可进行非接触测量。 可进行非接触测量。 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速 度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、 度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、 成份含量等方面的测量。 成份含量等方面的测量。
• 运算放大器驱动法
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 2.电桥电路 2.电桥电路 电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容相匹配； 单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容相匹配； 是两个臂。 差动式传感器 C1, C2 是两个臂。
ε s ε0εr s C= = σ σ 当 σ 减小 ∆σ 时
初始电容
εs C0 = σ0
电容 C 增加 ∆C
σ = σ0 −∆σ
C = C0 +∆C
C C0 ΔC
∆σ
σ ε
σ
σ
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（σ） 电容相对变化
C=
εs σ0百度文库−∆σ
结论： 结论： • 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； • 输出特性为线性； 输出特性为线性； • 适合大位移测量。 适合大位移测量。
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变介电常数式（ 3 变介电常数式（ε） 当某种介质在两固定极板之间运动时， 当某种介质在两固定极板之间运动时， 电容量与介质参数之间的关系为： 电容量与介质参数之间的关系为：
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路 1.电容传感器的等效电路 电容传感器中电容值变化都很微小， 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示 记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 转换为电流 记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 电容传感器的等效电路包括: 电容传感器的等效电路包括: 传输线的电感L 电阻R 传输线的电感L0、电阻R（小）; 传感器电容C 两端分布电容Cp Cp， 传感器电容C0 ，A、B两端分布电容Cp，极板等效漏 电阻Rg Rg。 电阻Rg。
=
1− σ
C0
σ0
σ0 ∆C = C0 1− σ
σ
σ0
当 ∆σ σ0
1 时，用泰勒级数展开
∆C σ σ σ 2 σ 3 = [1+ + ( ) + ( ) +⋅⋅⋅] σ0 σ0 σ0 C0 σ0
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（σ） 忽略高次项
ε
下静片
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特 性 变极距型（ 1 变极距型（ σ ）
电容的总的变化量
σ σ 3 ∆C = C1 − C2 = 2C0[ + ( ) +⋅⋅⋅] σ0 σ0
∆C σ σ 2 σ 4 =2 [1+ ( ) +( ) +⋅⋅⋅] C0 σ0 σ0 σ0
第 5章 5.1
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器工作原理和类型 变极距型传感器
第 5章 5.1
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器工作原理和类型 变面积型传感器
第 5章 5.1
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器工作原理和类型 变介质型传感器
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（σ）
极板在中间位置时 C1 = C2
C1 =
σ0 − σ
εs
C2 =
σ0 + σ
εs
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 2.电桥电路 2.电桥电路 • 交流电桥的输出电压为： 交流电桥的输出电压为：
E Z1 − Z2 U0 = ⋅ 2 Z2 + Z1
1 Z1 = jωc1
E C1 − C2 U0 = ⋅ 2 C2 + C1
U RL
R(R + 2RL ) = RLUE f (c1 − c2 ) 2 (R + RL )
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 二极管双T 3. 二极管双T型电路 型电路工作原理分析 双T型电路工作原理分析 • 正半周D1导通D2截止C1充电； 正半周D 导通D 截止C 充电； • 负半周D1截止D2导通C2充电； 负半周D 截止D 导通C 充电； 一个周期内负载R 一个周期内负载RL上输出 电压U 与电源电压U 幅值、 电压URL与电源电压UE幅值、 频率f有关; 频率f有关;与电容的差值 (C1-C2)成正比 (C1-C2)成正比
C=
ε0 s σ −d + dε
r
动
σ d
片
ε 变介电常数式电容传感器分几种情况： 变介电常数式电容传感器分几种情况： • 测介电常数 εr ； • 测厚度d 测厚度d
第 5章 5.2
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器输出特性 3 变介电常数式（ ε ） 变介电常数式（ 为运动介质的厚度， 保持不变， d为运动介质的厚度，d保持不变，改变 可作为介电常数的测试仪器。 可作为介电常数的测试仪器。 ε0 s C= σ − d +[ d (ε + ε )]
低频等效电路
传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略
C
等效电容C=C0+Cp， 等效电阻Re≈Rg
Rg
A
B
高频等效电路
电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影 响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而re≈r
re
L
C
1 1 1 = = jω L + +R jωC AB jωCe jωC
A
B
第 5章
输出与位移成理想线性关系
E σ U0 = ⋅ 2 σ0
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 2.电桥电路 2.电桥电路 交流电桥的多种形式
第 5章
电容式传感器
传感器原理及应用
5.3 测量电路 二极管双T 3. 二极管双T型电路 UE高频对称方波电源， UE高频对称方波电源， 高频对称方波电源 D1、D2特性相同二极管 C1、C2传感器差动电容 固定电阻， 负载。 R固定电阻，RL负载。 一个周期内R 一个周期内RL上的平 均值电压： 均值电压：
电容的相对变化量
电容特征方程忽略高次项得： 电容特征方程忽略高次项得：
∆C σ =2 σ0 C0
电容式传感 器 5.2 电容传感器输出特性 变极距型（ 1 变极距型（σ）
传感器（差动式） 传感器（差动式）灵敏度
第 5章
传感器原理及应用
∆C K=
σ
C0
=2
1
σ0
相对非线性误差为
σ 2 γ L = ( ) ×100% σ0
第 5章 概述
电容式传感器
传感器原理及应用
各种电容式传感器 电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
差压传感器
第 5章 概述
电容式传感器
传感器原理及应用
电容式传感器典型应用
测量管道液位高度
硅微电容式传感器
第 5章 5.1
电容式传感器
传感器原理及应用
电容传感器工作原理和类型 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器 C 可以通过改变 面积， S — 面积，称变面积型传感器 ε s ε0εr s 距离， σ — 距离，称变极距型传感器 C = = σ σ ε — 介质，称变介质型传感器 介质，