第六章电容式传感器

1、电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为是以各种类型的电容器作为传感元件传感元件，将，将被测物理量被测物理量的变化转的变化转换为换为电容量电容量的变化。的变化。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、湿度和成分含量等测量之中。压力、位移、厚度、加速度、液位、湿度和成分含量等测量之中。第六章第六章 电容式传感器电容式传感器按工作原理按工作原理变介电常数型变介电常数型变面积型变面积型变极距型变极距型特点特点：（1 1）结构简单、体积小、分辨率高；）结构简单、体积小、分辨率高；（2 2）可实现非接触测量；）可实现非接触测量；（3 3）动态响应好；）动态响应好；（4 4）能在高温、辐射和强振

2、动等恶劣条件下工作；）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；（5 5）电容量小、功率小、输出阻抗高，负载能力差，易受外界）电容量小、功率小、输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。干扰产生不稳定现象。第六章第六章 电容式传感器电容式传感器6.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理电容式传感器电容式传感器由由敏感元件和转换元件敏感元件和转换元件为一体的为一体的电容量可变电容量可变的电容器和测量电路组的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。成，其变量间的转换关系原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图

3、示平行极板电容器，示平行极板电容器，电容量电容量为为+Ard_ - 极板间介质的介电常数极板间介质的介电常数A- 两平行板的正对面积两平行板的正对面积d- 两平行板间距离两平行板间距离在在A、d、三个参量中，保持其中两个参数不变，改变其中一个量，均可使三个参量中，保持其中两个参数不变，改变其中一个量，均可使电电容量容量C改变。改变。也就是说，如果也就是说，如果被检测参数被检测参数(如位移、压力、液位等如位移、压力、液位等)的变化引起的变化引起A、d、三个三个参量中之一参量中之一发生变化，就可把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电发生变化，就可把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路

4、转换为电量输出。路转换为电量输出。据此，电容式传感器可分为以下三大类：据此，电容式传感器可分为以下三大类：(1) 变极距型电容传感器；变极距型电容传感器；(2) 面积变化型电容传感器；面积变化型电容传感器；(3) 介质变化型电容传感器。介质变化型电容传感器。+Ard_三种类型：三种类型：变极距变极距(d)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) 6.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器当当活动极板活动极板因因被测参数被测参数的改变而引起的改变而引起移动移动时，时，电容量电容量随两

5、极板间的随两极板间的距离距离变化而变化。变化而变化。初始电容初始电容若极距缩小若极距缩小非线性关系非线性关系若若 时，可简化为时，可简化为最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性差动式改善其非线性击穿问题击穿问题一般极板间距在一般极板间距在25200 范围内，而最大位移应小于间距的范围内，而最大位移应小于间距的1/10，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。6.1.2 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 通过改变通过改变极板间覆盖的面积极板间覆盖的面积来改变电容变化量的传感器，常用的有来改变电容变化量的传感器，常用的有角位移

6、型角位移型和和线位移型线位移型两种。两种。 与与变极距型变极距型的区别：被测量通过的区别：被测量通过动极板移动动极板移动，引起两极板，引起两极板有效覆盖面积有效覆盖面积A改变，从改变，从而引起电容变化。而引起电容变化。 与与 间呈线性关系间呈线性关系（1）线位移型）线位移型用于用于角位移测量角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移的电容式传感器当动片有一角位移 时，两时，两极板间的极板间的覆盖面积覆盖面积就改变，从而改变了电容量。就改变，从而改变了电容量。当转动当转动 角，角， 时，极板间的相对面积为：时，极板间的相对面积为： 所以，所以， 所以，所以， 传感器的电容量传感器的电容量C与角位移

7、与角位移 呈呈线性线性。 （2）角位移型）角位移型时，时，平面线位移型平面线位移型柱面线位移型柱面线位移型原理原理各种介质的各种介质的介电常数介电常数不同，在电容器不同，在电容器极板间极板间插入不同的介质，电容器的插入不同的介质，电容器的电容量不同。电容量不同。常用来测量液体液位和材料厚度。常用来测量液体液位和材料厚度。6.1.3变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器测量时，电容器的介质一部分是测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体被测液位的液体，一部分是，一部分是空气，空气，则电容与液位的关系为：则电容与液位的关系为： 同轴圆柱形电容器的初始电容为同轴圆柱形电容器的初始电容为:当当

8、L=0时，传感器的初始电容时，传感器的初始电容6.1.3变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 结构形式多样，可用来测量纸张、绝缘薄膜等的结构形式多样，可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度厚度，也可用来测量粮食、木材等非导电固体介质，也可用来测量粮食、木材等非导电固体介质的的湿度湿度。两平行电极两平行电极固定固定，极距极距 不变，相对介电常数为不变，相对介电常数为 的电介质以的电介质以不同深度不同深度插入电容器插入电容器中，从而改变两种介质的中，从而改变两种介质的极板覆盖面积极板覆盖面积。传感器总电容量传感器总电容量C为为（ ）当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相

9、对变化量为深度后，引起电容相对变化量为电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L呈线性关系呈线性关系例：某电容式液位传感器由直径为例：某电容式液位传感器由直径为40mm和和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为是圆柱形，直径为50cm，高为，高为1.2m。被储存液体的。被储存液体的r 1.2。计算传感器的最小电。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。 储存灌的容积为：储存灌的容积为： LmmhdV6 .2352 . 145 . 0422故传感器的灵敏度为：故传感器

10、的灵敏度为：LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax6.2 电容式传感器的主要性能电容式传感器的主要性能1、静态灵敏度、静态灵敏度 被测量缓慢变换时，传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比被测量缓慢变换时，传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2、非线性、非线性 1、灵敏度、灵敏度由式（由式（6-8）可知，电容的）可知，电容的相对变化相对变化：当当 1时，将上式按泰勒级数展开，得时，将上式按泰勒级数展开，得输出输出电容的相对变化电容的相对变化 与与输入输入位移位移 间呈现间呈现非线性关系非线性关系，当，当 103kv/mm）或塑料膜来改善电容

11、器耐压性能。）或塑料膜来改善电容器耐压性能。1、灵敏度、灵敏度平板式变面积型平板式变面积型a2、非线性、非线性变极距型变极距型由式（由式（6-8）可知，电容的）可知，电容的相对变化相对变化：当当 C2）时）时，A点输出的点输出的脉冲宽脉冲宽度大于度大于B点点；A、B两点平均电压两点平均电压UAB0；C1、C2充电时间充电时间T1T2. （T1=R1C1）5、差动脉冲调宽电路（差动脉冲宽度调制电路）、差动脉冲调宽电路（差动脉冲宽度调制电路）6.4 电容式传感器的特点电容式传感器的特点优点：优点：（1）温度稳定性好：温度稳定性好：电容式传感器常用电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质空气等气体作为

12、绝缘介质，介质，介质本身的本身的发热量非常小发热量非常小，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。（2）结构简单，适应性强结构简单，适应性强：电容式传感器结构简单，易于制造；能在：电容式传感器结构简单，易于制造；能在高高低温、强辐射低温、强辐射及及强磁场强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。（3）动态响应好：动态响应好：电容式传感器由于它的电容式传感器由于它的可动部分可以做得很小很薄可动部分可以做得很小很薄，即即质

13、量很轻质量很轻，其，其固有频率很高固有频率很高，动态响应时间短动态响应时间短，能在几兆赫的频率下，能在几兆赫的频率下工作，特别适合工作，特别适合动态测量动态测量。（4）可以实现非接触测量、具有平均效应：可以实现非接触测量、具有平均效应： 当被测件不能允许采用接触当被测件不能允许采用接触测量的情况下测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容电容式传感器具有式传感器具有平均效应平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。（5）阻抗高、功率小，需要输入的动作能量低：阻抗高、功率小，需要输入

14、的动作能量低：电容式传感器由于带电电容式传感器由于带电极板间的极板间的静电吸引力极小静电吸引力极小，因此所需要的，因此所需要的输入能量也极小输入能量也极小，特别适用于，特别适用于低低能量输入的测量能量输入的测量。 例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移甚至更小的位移缺点：缺点：（1）输出阻抗高，带负载能力差：输出阻抗高，带负载能力差：电容式传感器的容量受其电极几何尺电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，使传感器的寸等限制，使传感器的输出阻抗

15、很高输出阻抗很高。因此传感器。因此传感器带负载能力差带负载能力差，易受外，易受外界干扰影响而产生不稳定现象。界干扰影响而产生不稳定现象。 电容的容抗大还要求传感器电容的容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温度、湿否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温度、湿度、清洁度等环境对度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能绝缘材料绝缘性能的影响。的影响。（2）输出特性为非线性：输出特性为非线性：虽可采用虽可采用差动结构差动结构来改善，但不可能完全消除。来改善，但不可能完全消除。

16、其他类型的电容传感器其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才成线性，输出特性才成线性，否则边缘效应所产生的否则边缘效应所产生的附加电容量附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。性非线性。缺点：缺点：（3）寄生电容影响大：寄生电容影响大： 传感器的传感器的初始电容量初始电容量很小，而其很小，而其引线电缆电容、引线电缆电容、测量电路的测量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电寄生电容容”却较大，却较大，降低了传感器的降低了传感器的灵敏度灵敏

17、度；这些电容这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变化的，将使常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定传感器工作不稳定，影，影响响测量精度测量精度，其变化量甚至，其变化量甚至超过超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求6.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1、 差动式电容压力传感器差动式电容压力传感器当被测压力或压力差当被测压力或压力差作用于作用于膜片膜片并使之产生并使之产生位移位移时，形成的两个电时，形成的两个电容器的电容量，容器的电容量，一个增一个增大，一个减小大，一

18、个减小。该电容值的变化经测该电容值的变化经测量电路转换成与量电路转换成与压力或压力或压力差压力差相对应的相对应的电流或电流或电压的变化电压的变化。主要结构为一个主要结构为一个膜片动电极膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极固定电极组成的组成的差动差动电容器电容器。2、 差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器主要由主要由两个固定极板两个固定极板（与外壳绝缘）和（与外壳绝缘）和一个一个质量块质量块组成；组成；中间的质量块采用中间的质量块采用弹弹簧片簧片来进行支撑，它的来进行支撑，它的两个端面经过磨平抛光两个端面经过磨平抛光后作为后作为可动极板可动极板。当测量当

19、测量垂直方向垂直方向上的直线上的直线加速度加速度时，传感器时，传感器的的壳体壳体固定在固定在被测振动体被测振动体上，上，两个两个固定电极固定电极将相将相对于质量块对于质量块在垂直方向运动，在垂直方向运动，两两固定极板与质量块固定极板与质量块产生产生大小相等，符号相反的大小相等，符号相反的增量增量，两个增量的差值正比于被测加速度。两个增量的差值正比于被测加速度。 加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用3、 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器在被测带材的在被测带材的上下两侧上下两侧各装设一块各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形成两个独立电容。这样两极板与带材之间形成两个独立电容。若带材的若带材的厚度变化厚度变化，将引起，将引起电容的变化电容的变化，再用，再用交流电桥交流电桥将电容的变化将电容的变化检检测测出来，经过出来，经过放大放大，即可由，即可由显示仪表显示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。材厚度的在线检测。3、差动式电容测厚