第五章电容式传感器

1、 第五章第五章 电容式传感器电容式传感器绪绪 论论电容器是电子技术的三大无源元件之一，利用电容器的电容器是电子技术的三大无源元件之一，利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化。的转化。 在在19201925年就有人利用电容传感器成功地测量了年就有人利用电容传感器成功地测量了压力、位移、重量、温度，但实验室的结果应用到工业压力、位移、重量、温度，但实验室的结果应用到工业上有许多具体困难，因此，电容式传感器在几十年内相上有许多具体困难，因此，电容式传感器在几十年内相对于电阻式发展缓慢，但随着新材料、新工艺、新电路对于电阻式发

2、展缓慢，但随着新材料、新工艺、新电路的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用也越来越广的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用也越来越广泛。泛。 目前，电容传感器已在位移、厚度、物位、温度、振目前，电容传感器已在位移、厚度、物位、温度、振动、转速、流量及成份分析中得到广泛应用。动、转速、流量及成份分析中得到广泛应用。电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器 基本原理基本原理:绪绪 论论优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。实现非接触测

3、量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。中。 电容传感器电容传感器 转换电路转换电路 被被 测测 量量 电容值电容值变化变化 电电 信信 号号 非电量非电量 C 电量电量l5.1 电容式传感器的工作原理及形式电容式

4、传感器的工作原理及形式l5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性l5.3 电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路l5.4 影响电容传感器精度的因素及提影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施高精度的措施 5.1 5.1 电容式传感器的电容式传感器的 工作原理及形式工作原理及形式5.1.1工作原理工作原理5.1.2 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器5.1.3 变极板面积型电容传感器变极板面积型电容传感器5.1.4 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式5.1.1工作原理工作原理

5、 1.1.平行板电容器平行板电容器+-dA平行板电容器平行板电容器电力线 当平行板的间距当平行板的间距d d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。：板级间的距离：板级的面积真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数dA/dAdACrr)NmC1085. 8(:21200忽略了边缘效应忽略了边缘效应RrL同心圆筒形电容器同心圆筒形电容器 2.同心圆筒形电容器同心圆筒形电容器：筒长：外筒内半径：内筒外半径真空中的介电常数常数板级间介质的相

6、对介电板级间介质的介电常数LRr/rRLrRLCrr)NmC1085. 8(:ln2ln221200忽略了边缘效应忽略了边缘效应: : L (R r ) 在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在被在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在被测对象的作用下发生变化，其电容量测对象的作用下发生变化，其电容量C C将随之改变，这就是电容式将随之改变，这就是电容式传感器的传感器的物理基础物理基础。对于对于平行板电容器平行板电容器可以变化的参数有：可以变化的参数有：、A、d 等等；对于对于同心圆同心圆筒形电容器筒形电容器可以变化的参数有：可以变化的参数有：、L L、r/ /R等等。 5

7、.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式变间隙型变面积型变介质型电容式传感器电容式传感器dAdACr0dAdACr0dAdACr0三种类型：三种类型：变极距变极距(）型）型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h) 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 5.1.2 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器（平行板电容器式）（平行板电容器式） 00 ACd0000011ddCddACCC0001ddddCC2340000001CdddddCddddd00ddCC与初始初始电电容量容量为为极极距距缩缩小小dd

8、，则则为为非非线线性性关关系系 电容变间距(1).swf动极板动极板定极板定极板1d 00CdCd可略去高次可略去高次项项，可得，可得由于由于灵灵敏度敏度20000dAdCdCnS14结构结构2341000001ddddCCdddd2342000001ddddCCdddd35120000222dddCCCCddd002CdCd2002dASn差差动动式的式的灵灵敏度敏度：差差动动式式电电容容检测检测提高了提高了灵灵敏度，敏度，线线性特性明性特性明显显改善。改善。 C C1 1电电容量增加容量增加C C2 2电电容量增加容量增加总总的的电电容容变变化量化量v灵敏度与极板间距平方成反比，极距愈小，

9、灵敏度愈高。灵敏度与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。v电容量电容量C C与极距呈非线性关系，减小初始极距将引起非线与极距呈非线性关系，减小初始极距将引起非线性误差。性误差。v初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, , 极板极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。v通常，变极板间距离电容式传感器的起始电容在通常，变极板间距离电容式传感器的起始电容在 2020100pF100pF之间之间, , 极板间距离在极板间距离在2525200m200m的范围内的范围内, , 最大位最大位

10、移应小于间距的移应小于间距的1/10, 1/10, 故在微位移测量中应用最广。故在微位移测量中应用最广。 2002dASn灵敏度分析：灵敏度分析：5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式举例举例:+AC0+5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式举例举例:例：电容式差压传感器例：电容式差压传感器 1 1金属膜片（动极）；金属膜片（动极）；2 2凹玻璃圆盘；凹玻璃圆盘；3 3金属镀层（定极）；金属镀层（定极）；4 4低压侧导压口；低压侧导压口；5 5输出端子；输出端子；6 6空腔；空腔；7 7过滤器；过滤器；8 8壳体；壳体；9 9高压侧导

11、压口高压侧导压口21pp0p 膜片膜片处处于中于中间间位置，位置，与两个与两个定定极极板距离相等板距离相等21CC（2 2）当当有差有差压压作用作用时时，感，感压压膜膜片片产产生形生形变变。 21pp21CC21pp21CC时时，（1 1）当当时时，时时，测量膜片产生位移转变为电容极板上的测量膜片产生位移转变为电容极板上的差动电容变化，由电子线路把差动电容差动电容变化，由电子线路把差动电容转换成转换成4-20mADC4-20mADC的二线制电流信号的二线制电流信号. .电容压力变送器电容压力变送器20例：电容式加速度传感器例：电容式加速度传感器l采用差动式结构，有两个采用差动式结构，有两个固定

12、极板固定极板，中间有，中间有一用弹簧片支撑的质量块一用弹簧片支撑的质量块可动极板可动极板1 1绝缘体；绝缘体；2 2固定电极；固定电极；3 3质量块；质量块；4 4弹簧片弹簧片该传该传感器感器频频率率响应响应快，量程范快，量程范围围大，大，精度精度较较高高原理：变介质型原理：变介质型 变极距型；变极距型；特点：非接触式测量特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等应用：纸张、绝缘薄膜等 例：电容式厚度传感器例：电容式厚度传感器5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式5.1.3 5.1.3 变极板面积型电容传感器变极板面积型电容传感器电容电容：相对变化：相对变化：000

13、0)(bllCCC00llCC灵敏度：灵敏度：0000blClCK0ACd 说明变面积式电容传感器说明变面积式电容传感器的输入输出关系在理论上的输入输出关系在理论上是是线性线性的的. .适合于测量较大适合于测量较大的直线位移和角位移的直线位移和角位移. . 角位移传感器角位移传感器 模型：两半圆形板极模型：两半圆形板极(定板极和动板极定板极和动板极)的间距的间距为为d , 面积均为面积均为A ，可绕同圆心转动，其夹角为可绕同圆心转动，其夹角为。CCCdAdACAAdAC001110011100：板级间的的相对面积为时，。时，C1 1（C）与与（角位移）成线性关系。角位移）成线性关系。动极板动极

14、板平板电容式角位移传感器平板电容式角位移传感器定极板定极板 5.1 5.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式举例举例: :D0D1La圆柱形电容式线位移传感器圆柱形电容式线位移传感器 同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器 模型：如右图。初始电容模型：如右图。初始电容C0：筒长LCLDDLCDDLCrr)/;/(ln.,lnpFcm80121001000成线性关系。与aLaCDDaLCr,ln1201001当内筒上移为当内筒上移为a a 时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容C1 1为：为：定极板定极板5.15.1电容式传感器的工作原理及形电容式传感器的工

15、作原理及形-举例举例: :变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构 5.1 5.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式5.1.4 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介质片电容器传感器变介质片电容器传感器12d1d2LaBCAC 模型：如右图，这种电容可以看成是模型：如右图，这种电容可以看成是CA A、CB B两个电容的并联。设板极宽度为两个电

16、容的并联。设板极宽度为b b 则：则：1122ddbaCA112ddaLbCB)(11211211221121122ddbaddbLddbaddaLbddbaCCCBA)(1120ddbLCLaddCC212121011C与与a 成线性关系成线性关系电介质插入式电介质插入式变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的的厚度、液位厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、温度、湿度湿度等等vd不变，不变， 改变，如：改变，如：测量粮食、纺织品、木材或

17、煤测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。等非导电固体介质的湿度。v不变，不变，d改变，如：改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的测量纸张、绝缘薄膜等的厚度厚度d0 rs气隙气隙5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式-举例举例n圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器 电容液位计电容液位计.swfCC1C2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被与被测液位高度测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。 h2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK21CCC: :pF.

18、lnm.)m/pF.(rrlnhCmin46418402185822120pFpFrrhrrhrrhrrhCr07.871 . 246.41 )/ln(2)/ln(2 )/ln()(2)/ln(212012120120maxLmmhdV6 .2352 . 145 . 0422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax5.15.1电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式举例举例电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测被测电容电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本

19、身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。料位计料位计电容式接近开关在物位测量控制中的应用电容式接近开关在物位测量控制中的应用: :32例：例： 电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器l传感器的感湿元件是传感器的感湿元件是高分子薄高分子薄膜膜式湿敏电容，当环境相对湿式湿敏电容，当环境相对

20、湿度改变时，高分子薄膜的度改变时，高分子薄膜的介电介电常数常数发生变化，从而导致电容发生变化，从而导致电容量改变。量改变。1-1-上电极；上电极；2-2-下电极；下电极；3-3-高分子薄膜；高分子薄膜；4-4-玻璃基板玻璃基板33带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型电电容式容式湿湿敏敏传传感器外形感器外形l5.1 电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式l5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性l5.3 电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路l5.4 影响电容传感器精度的因素及提影响电容传感器精度的因素及提 高精度的措施高精度的措施 5

21、.2 5.2 电容式传感器的电容式传感器的 等效电路及特性等效电路及特性5.2.1 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路5.2.2 电容式传感器的几个典型特点电容式传感器的几个典型特点5.2.3 边缘效应及修正边缘效应及修正5.2 5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性5.2.1 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路R RP P 并联损耗电阻并联损耗电阻( (板极间的漏电及介质损耗板极间的漏电及介质损耗) )R RS S 串联损耗电阻串联损耗电阻( (引线电阻及高频驱肤效应引线电阻及高频驱肤效应) )L L 分布电感分布电感C C 传感器电容传感器电容

22、传感器的等效电容传感器的等效电容CePRSRLCeCCjLjCje 11 。时时在在，得得CCCLCLCCee 01122 容抗容抗感抗感抗，eeCCCLCCC)(12 CLCCCCee21：v所以，电容传感器测量必须在同样条件下进行。所以，电容传感器测量必须在同样条件下进行。v改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。有关。有关。、与与还还有关有关不仅与不仅与 LCCCCee, CLCCCCee21： 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，有利于选择温度系数低的材料，影响稳定性甚影响稳定性

23、甚微微 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。作进行测量。 5.2 5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性5.2.2 5.2.2 电容式传感器的几个典型特点电容

24、式传感器的几个典型特点 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个（约几个10105N5N），需要的作用能量极小，又由于它的），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有固有频率频率很高，很高，动态响应时间短动态响应时间短，能在几兆，能在几兆HzHz的频率下工作，的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的

25、参数。化的参数。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。作十分稳定。6 6 电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（电容（1 12m2m导线可达导线可达800pF800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓板于其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容寄生电容”却较大，不仅降低了却较

26、大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。接法都有要求。l5.1 电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式l5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性l5.3 电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路l5.4 影响电容传感器精度的因素及提影响电容传感器精度的因素及提 高精度的措施高精度的措施 5.3 电容式传感器的 信号变

27、换电路5.3.1 5.3.1 交流不平衡电桥交流不平衡电桥5.3.2 5.3.2 运算放大器电路运算放大器电路5.3.5.3.3 3 调频电路调频电路5.3 电容式传感器的信号变换电路 电容传感器的电容量很小，需要一些信号调节电路将微小电容的变化量转换成与其成正比的电压电流的频率，可显示记录、传输、这些电路通常是运算放大器式电路、电桥电路、调频电路、谐振电运算放大器式电路、电桥电路、调频电路、谐振电路、二极管路、二极管T T型网络、脉动宽度调制电路型网络、脉动宽度调制电路。5.3 电容式传感器的信号变换电路- -KCxC0 0U0 0Ui运算放大器测量电路运算放大器测量电路aixxxUCCUC

28、jZCjZ1,10000.00ZZUUxixixxdACUUdAC 00放大器的输入阻抗很高放大器的输入阻抗很高(Zi)，可视作理想运算放大器。可视作理想运算放大器。如果如果5.3.5.3.1 1 运算放大器电路运算放大器电路解解决决了了变极变极距式距式电电容容传传感器的非感器的非线线性性问题问题输输出出电压与极电压与极板的机械位移成板的机械位移成线线性性关关系系v特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。xidACUU005.3.5.3.2 2 电桥电路电桥电路 UCr1CRRU0UCr1Cr2U0LLCr1CU0UCCr2（d）5.3 5.3

29、电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路对于差动电桥（对于差动电桥（变压器电桥）变压器电桥）：2d1d2C1C动板极动板极定板极定板极差动电容传感器差动电容传感器21212CCCCUUo)/();/(002001ACAC02UUo相敏相敏检波检波2U输出特性呈线性输出特性呈线性5.3 电容式传感器的信号变换电路L)CCC(fc01021 21010LCCCCfffc振荡回路固有电容振荡回路固有电容传感器电容传感器电容引线分布电容引线分布电容C0f振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器LCf21cCCCC015.3.3 调频电路调频电路R2D1D2ABR1C1C2U0F

30、UrG+-+-QQRS双稳态双稳态触发器触发器A2A1差动脉冲调宽电路各点电压波形图差动脉冲调宽电路各点电压波形图 121210UCCCCUl电容差动脉冲电路.swf UddU100 USSU100l5.1 电容式传感器的工作原理及形式电容式传感器的工作原理及形式l5.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性l5.3 电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路l5.4 影响电容传感器精度的因素及提影响电容传感器精度的因素及提 高精度的措施高精度的措施 5.4 影响电容传感器精度的 因素及提高精度的措施 5.4 5.4 影响电容传感器精度的因素及提高精影响电容传感器

31、精度的因素及提高精度的措施度的措施 1. 在设计传感器过程中，在所要求量程、温度和压力等范围在设计传感器过程中，在所要求量程、温度和压力等范围内，应尽量考虑影响传感器精度的因素，并提高精度所要内，应尽量考虑影响传感器精度的因素，并提高精度所要采取的一些措施。采取的一些措施。 减小温度对结构尺寸的影响减小温度对结构尺寸的影响温度会造成结构尺寸改变，从而改变温度会造成结构尺寸改变，从而改变C C，产生温度误差，所产生温度误差，所以适温度系数小的材料以适温度系数小的材料减小温度对介质的介电常数影响减小温度对介质的介电常数影响温度会使温度会使改变，改变改变，改变C C，不能完全消除（可补偿后处理电不能

32、完全消除（可补偿后处理电路）路）减小漏电阻的影响减小漏电阻的影响漏电阻影响灵敏度下降，适绝缘性好的材料作支架漏电阻影响灵敏度下降，适绝缘性好的材料作支架5.4 5.4 影响电容传感器精度的因素及提高影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施精度的措施2 2减小边缘效应和寄生电容影响减小边缘效应和寄生电容影响边缘效应和寄生电容使传感器产生非线性，降低灵敏边缘效应和寄生电容使传感器产生非线性，降低灵敏度。可采取措施为度。可采取措施为 ：5.4 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施3 A.A.集成化集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。 B.B.采用采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双