第五章 电容式传感器

1、 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 5.1 电容式传感器电容式传感器 5.1.1 5.1.1 基本基本工作原理工作原理 5.1.2 5.1.2 电容式传感器的线性及灵敏度电容式传感器的线性及灵敏度 5.2 5.2 电容式传感器的输出电路及等效电路电容式传感器的输出电路及等效电路 5.2.1 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 5.2.2 电容式传感器的输出电路电容式传感器的输出电路 5.3 5.3 影响电容传感器精度的因素及提高精影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施度的措施 5.3.1 5.3.1 边缘效应的影响边缘效应的影响 5.3.2

2、 5.3.2 寄生电容的影响寄生电容的影响 5.3.3 5.3.3 温度的影响温度的影响 5.4 5.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.4.1 5.4.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 5.4.2 5.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 5.4.3 5.4.3 电容式荷重传感器电容式荷重传感器 5.4.4 5.4.4 振动、位移测量仪振动、位移测量仪 5.4.5 5.4.5 电容测厚传感器电容测厚传感器1 概念概念: :电容式传感器是将被测电容式传感器是将被测非电量非电量的变化的变化 转换为电容量变化的一种传感器。转换为电容量变化的一种传感器。 位移、加速度、液位、振

3、动及湿度等。位移、加速度、液位、振动及湿度等。 ：结构简单、体积小、分辨率高、发热：结构简单、体积小、分辨率高、发热小、适合非接触测量。小、适合非接触测量。X2 5.15.1电容式传感器电容式传感器 5.1.15.1.1基本工作原理基本工作原理 电容式传感器是一个具有电容式传感器是一个具有可变参数可变参数的电容器。多数场的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图质，如图5.15.1所示。两个平行板组成的电容器的电容量为所示。两个平行板组成的电容器的电容量为: :dAC/dAr/0 A dX3 当被测参数变化使得式

4、中的当被测参数变化使得式中的A,A,或或 d d发生变化时发生变化时, , 电电容量容量C C也随之变化。如果保持其中两个参数不变也随之变化。如果保持其中两个参数不变, , 而而 仅改仅改变其中一个参数变其中一个参数, , 就可把该参数的变化转换为电容量的变就可把该参数的变化转换为电容量的变化化, , 通过测量电路就可转换为电量输出。通过测量电路就可转换为电量输出。 变换参数不同，电容式传感器可分为：变换参数不同，电容式传感器可分为： 变极距型、变面积型和变介质型变极距型、变面积型和变介质型三种类型。三种类型。 改变平行极板间距改变平行极板间距d d 的传感器可以测量的传感器可以测量微米级微米

5、级的位移；的位移； 变化面积变化面积A A 的传感器则适用于测量的传感器则适用于测量厘米级厘米级的位移，的位移， 变介电常数式电容式传感器适用于变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度液面、厚度的测量。的测量。X4 变极距变极距(d)(d)型型: (a): (a)、(e) (e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b): (b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g) (g) （h h） 变介电常数变介电常数( )( )型型: : （i i）(l) (l) X5 5.1.2 5.1.2电容式传感器的线性及灵敏度电容式传感器的线性及灵敏度 1. 1.变极距（间距）型变极距（间距）型

6、电容传感器电容传感器 1 11 2 2 23 d d d d 0 d0 ddCC0 CX1定极板；2动极板，与被测体相连dAC/双曲线6 极板面积为极板面积为A A，初始距离为，初始距离为d d0 0，以空气为介质（，以空气为介质（e er r=1=1），电容器的电容为），电容器的电容为 若电容器极板距离初始值若电容器极板距离初始值 d d0 0减小减小d d，其电容量增加，其电容量增加C C，即，即 由上式，电容的相对变化量为由上式，电容的相对变化量为 000dAC0000011ddCddACC1000)1(ddddCCX7 ，按幂级数展开得按幂级数展开得: : 略去非线性项（高次项），略去

7、非线性项（高次项），则得近似的线性关系式则得近似的线性关系式 电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为 电容式传感器灵敏度系数电容式传感器灵敏度系数K K的物理意义是：的物理意义是：单位位移引起单位位移引起 的电容量的相对变化量的大小的电容量的相对变化量的大小。 1/0dd 30200001ddddddddCC00ddCC001/ddCCKX8 略去高次项（非线性项）引起的相对非线性误差为略去高次项（非线性项）引起的相对非线性误差为 结论：结论：极间距越极间距越 小，既有利于提高灵敏度，又有利于小，既有利于提高灵敏度，又有利于减小非线性。减小非线性。 但但 d d0 0过小时，容易造成电容器击

8、穿。过小时，容易造成电容器击穿。 在实际应用中，为提高灵敏度在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用减小非线性，大都采用差动结差动结 构构。 改善击穿条件的办法：改善击穿条件的办法：在极板间放置云母片等介电材料。在极板间放置云母片等介电材料。%100100000ddddddddddCCCX9 （1 1）差动变间隙式的电容传感器）差动变间隙式的电容传感器 在差动式电容传感器中，其中电容器在差动式电容传感器中，其中电容器C C1 1的电容随位的电容随位移移d d的减小而增大时，另一个电容器的减小而增大时，另一个电容器C C2 2的电容则随着的电容则随着d d的增大而减小。的增大而减小。 1

9、0011ccdd00211ddccX10 它们的特性方程分别为它们的特性方程分别为 总的电容变化量总的电容变化量 电容的相对变化量为电容的相对变化量为 略去高次项略去高次项, ,近似成线性关系近似成线性关系30200011ddddddCC30200021ddddddCC30002122ddddCCCC 40200012ddddddCC002ddCCX11 差动电容式传感器的灵敏系数为差动电容式传感器的灵敏系数为: : 差动电容式传感器的相对非线性误差近似为差动电容式传感器的相对非线性误差近似为: 结论：结论：差动式比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差减小。差动式比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差

10、减小。 结构上的对称性，能有效结构上的对称性，能有效补偿温度补偿温度变化所造成的误差。变化所造成的误差。002 ddCCK%1002220030 ddddddX12 （2 2）固定介质与可变间隙式电容传感器固定介质与可变间隙式电容传感器 减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两极板间加一层极板间加一层云母或塑料等介质云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。，以改变电容的耐压性能。由此，构成固定介质与可变间隙式电容传感器。由此，构成固定介质与可变间隙式电容传感器。 由关系由关系 , , , ,固定介质 2 定极板 动极板 空气 0=1 d2

11、 d12121CCCCC1101dAC2202dAC2210ddACX13 当空气隙减小当空气隙减小 ，使电容增加，使电容增加 ，有，有 电容的相对变化量为电容的相对变化量为 当当N N1 1d d1 1/ /（d d1 1+ +d d2 2） 11，随厚，随厚度比度比d d2 2/ /d d1 1增加，增加，N N1 1增加。在增加。在d d2 2/ /d d1 1很大时，很大时，N N1 1的极限为的极限为2 2，在，在d d2 2/ /d d1 1不不变时，随变时，随2 2增加，增加，N N1 1增加。增加。 应用：应用： 空气的击穿电压为空气的击穿电压为3KV/mm3KV/mm，云母片

12、的击穿电压，云母片的击穿电压1000KV/mm1000KV/mm。 因此，加云母片，极板间的起始距离可大大减小。因此，加云母片，极板间的起始距离可大大减小。 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 d2/d12=102=5 8 6 4 2X16221211/ddddN 实际应用实际应用 变极间距离型电容传感器的起始电容变极间距离型电容传感器的起始电容20100pF； 极板间距在极板间距在25200m; 最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10； 因此，在微位移中应用广泛。因此，在微位移中应用广泛。17 1 1 211 2 223(a)(b)(c)(d)X18优点：

13、优点： 测量范围大，可测量大范围的线位移、角位移。测量范围大，可测量大范围的线位移、角位移。1定极板；2动极板，与被测体相连 板状线位移变面积型板状线位移变面积型X19 极板起始覆盖面积为极板起始覆盖面积为A A = = a ab b，沿活动极板宽度方向移，沿活动极板宽度方向移动动a a，则改变了两极板间覆盖的面积，则改变了两极板间覆盖的面积 （1 1）线位移式电容传感器）线位移式电容传感器 极板起始覆盖面积为极板起始覆盖面积为A A = = a ab b，沿活动极板宽度方向移动，沿活动极板宽度方向移动a a，则改，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为变了两极板间覆盖的面

14、积，忽略边缘效应，改变后的电容量为 电容的变化量为电容的变化量为 灵敏度为：灵敏度为： 灵敏度系数灵敏度系数K KC C为常数，可见增加极板长度为常数，可见增加极板长度a a可提高灵敏度，而极板的起可提高灵敏度，而极板的起 始覆盖宽度始覆盖宽度b b与灵敏度系数与灵敏度系数K KC C无关。但无关。但b b不能太小，必须保证不能太小，必须保证b bd d，否则，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。边缘处不均匀电场的影响将增大。 缺点：缺点：对移动极板的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距对移动极板的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距d d变化，影响测变化，影响测量精度。因此，变面积式的电容传感器常作成

15、圆柱式的。量精度。因此，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。 adbCdaabC0)(aaCadbCCC0aaCCK1/0CX20 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X21 （2）圆柱式线位移电容传感器圆柱式线位移电容传感器 在不计边缘效应影响时，圆柱式的电容器在不计边缘效应影响时，圆柱式的电容器 的电容量为的电容量为: : 式中式中 l l 外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度； r r2 2外圆柱内径；外圆柱内径； r r1 1内圆柱外径。内圆柱外径。12ln2rrlCX22 动极（圆柱）沿轴线移动动极（圆柱）沿轴线移动L L时，电容的变化量为时，

16、电容的变化量为: : （5-245-24） 若采用若采用差动结构差动结构，动极向上移动，动极向上移动l l，则上面部分的电容量，则上面部分的电容量C Ca a增加，增加，下面部分的电容量下面部分的电容量C Cb b减少，使输出为差动形式，有减少，使输出为差动形式，有: : （5-255-25） 结论：结论：采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也提高一倍。采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也提高一倍。llCrrlC)/ln(212llCrrllrrllCCC2)/ln()(2)/ln()(21212baX23 角位移变面积型角位移变面积型X24 (3)(3)角位移式电容传感器角

17、位移式电容传感器 设两半圆极板重合时，电容量为设两半圆极板重合时，电容量为: : 动极动极2 2转过角，电容量变为转过角，电容量变为: : 则有电容变化量为则有电容变化量为: : 则灵敏度系数为则灵敏度系数为: :drdSC22CCdSdrC)/1 (2)(2CCCC1/CCCKX25结论：变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，位移与结论：变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，位移与输出电容都为线性关系（忽略边缘效应），输出电容都为线性关系（忽略边缘效应），传感器灵敏系数为常数传感器灵敏系数为常数。 结论：结论：变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位变面积式电容传感器

18、不论被测量是线位移还是角位移，位移与输出电容都为移，位移与输出电容都为线性关系线性关系（忽略边缘效应），（忽略边缘效应），传感器灵敏系数为传感器灵敏系数为常数常数。X26aaCadbCCC0aaCCK1/0CllCrrlC)/ln(212CCCC1/CCCK0C/2CCKll线位移式电容传感器：线位移式电容传感器：圆柱式线位移电容传感器：圆柱式线位移电容传感器：角位移式电容传感器：角位移式电容传感器： 3变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器 厚度为厚度为d d2 2的介质（介电常数为的介质（介电常数为e e2 2）在电容器中移动时，电容器中）在电容器中移动时，电容器中介质的介电常数

19、（总值）改变使电容量改变，于是可用来测量位移介质的介电常数（总值）改变使电容量改变，于是可用来测量位移x x。有有 ， ，无介质，无介质e e2 2时，有时，有 当介质当介质e e2 2移进电容器中移进电容器中x x长度时，有长度时，有BACCC21ddddblC/10 d1 x l CACB x d22211AddbxC1B/1)(dxlbCX27 设式中设式中 ， 则有则有 。 A A是常数，电容量是常数，电容量C C与位移量与位移量x x成线性关系。成线性关系。实际上，由于边缘效应将有非线性，为此，使灵敏度下降。实际上，由于边缘效应将有非线性，为此，使灵敏度下降。 变介电常数式电容传感器

20、变介电常数式电容传感器中的极板间存在导电物质，中的极板间存在导电物质，极板表面应涂极板表面应涂绝缘层绝缘层，防止极板短路，如涂厚度，防止极板短路，如涂厚度为为0.1mm0.1mm的的聚四氟乙烯薄膜。聚四氟乙烯薄膜。xdddlCCdddlxdCCdddbxdblC1111221100122120012211111211ddlAAxCC10X28 5.2 5.2 电容式传感器的输出电路及等效电路电容式传感器的输出电路及等效电路 5.2.15.2.1等效电路等效电路 以上对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行以上对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。的。若电容传感器在

21、高温、高湿及高频激励的条件下工作时，不能忽若电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作时，不能忽视其附加损耗和电效应影响，其等效电路如图所示。视其附加损耗和电效应影响，其等效电路如图所示。 C C传感器电容；传感器电容； Rp Rp低频损低频损 耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗； R R高湿、高温、高频激励时的串联损耗电阻，它包含导线、高湿、高温、高频激励时的串联损耗电阻，它包含导线、 极板间和金属支座等损耗电阻；极板间和金属支座等损耗电阻； L L电容器及引线电感；电容器及引线电感； L B A RP R CX29 当不考虑当不考虑R RP P

22、（电源频率（电源频率MHzMHz，且电源的频率为，且电源的频率为1/31/21/31/2的谐振频率）时，的谐振频率）时，有有: : （5-325-32） 式中式中 C Ce e传感器的等效电容；传感器的等效电容； w w电源角频率（电源角频率（w w=2=2f f）。）。 由于传感器自身的电容量（包括寄生电容）很小，电源频率又很由于传感器自身的电容量（包括寄生电容）很小，电源频率又很高（几兆赫），故容抗（高（几兆赫），故容抗（1/j1/jwCwC）很大，相比之下，电阻）很大，相比之下，电阻R R的影响可忽略，的影响可忽略，则有则有: : （5-335-33） 有效电容的增量为微分有效电容的增量

23、为微分: : （5-345-34）RCLCj1jj1eLCCC2e122e)1 (LCCCX30 有效电容的相对变化量为有效电容的相对变化量为: （5-35） 电容传感器的有效灵敏度系数为电容传感器的有效灵敏度系数为: （5-36） 电容传感器的有效灵敏度系数与电容传感器的有效灵敏度系数与w2lC项有关，随项有关，随和和L变化。变化。 电容传感器工作与标定的条件应相同：电源频率不变，引线长度不能改变。电容传感器工作与标定的条件应相同：电源频率不变，引线长度不能改变。 引线长度改变引线长度改变需对电容式传感器的有效灵敏度重新标定。上面各式的成立条件需对电容式传感器的有效灵敏度重新标定。上面各式的

24、成立条件为电源频率在为电源频率在兆赫兆赫左右，此时有效灵敏度系数高于电容器本身的灵敏度系数。左右，此时有效灵敏度系数高于电容器本身的灵敏度系数。LCCCCC2ee11LCKdCCK2ceee1/X31 5.2.25.2.2 电容式传感器的输出电路电容式传感器的输出电路 电容式传感器的电容式传感器的电容值以及电容变化值电容值以及电容变化值都十分微小都十分微小, , 这样微这样微小的电容量不能直接为目前的仪表显示、小的电容量不能直接为目前的仪表显示、 也很难记录下来、不也很难记录下来、不便于传输。便于传输。 因此，须借助于因此，须借助于测量电路测量电路检出检出微小电容增量微小电容增量, , 并将其

25、转换成并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。 电容转换电路类型：电容转换电路类型：调幅电路调幅电路 调频电路调频电路运算放大器式电路运算放大器式电路二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥脉冲宽度调制电路等。脉冲宽度调制电路等。X32 1.1.交流电桥交流电桥( (调幅电路）调幅电路） 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂将电容式传感器接入交流电桥的一个臂( (另一个臂为固定电容另一个臂为固定电容) )或或两个相邻臂两个相邻臂, ,另两个臂可以是电阻、电容、电感，也可是变压器的两个另两个臂可以是电阻、电容、电感，也可是变压器的两个二次线圈。

26、二次线圈。 另两个臂是另两个臂是紧耦合电感臂的电桥的优点：紧耦合电感臂的电桥的优点：灵敏度高、稳定性高、寄灵敏度高、稳定性高、寄生电容小、简化了电桥的屏蔽和接地，适合高频电源下工作。生电容小、简化了电桥的屏蔽和接地，适合高频电源下工作。 变压器式电桥优点：变压器式电桥优点：使用元件最少、桥路内阻最小，目前采用较多。使用元件最少、桥路内阻最小，目前采用较多。调幅电路：调幅电路： 输出电压输出电压U Uscsc的幅值与被测量成正比，这种电路称为调幅电路。的幅值与被测量成正比，这种电路称为调幅电路。 X33 当交流电桥平衡时，电容传感器起始电容量当交流电桥平衡时，电容传感器起始电容量C C1 1与与

27、C C2 2相等、容抗相等相等、容抗相等（忽略电容器内阻）。即：（忽略电容器内阻）。即： 电容传感器工作在平衡附近，有电容变化量输出时电容传感器工作在平衡附近，有电容变化量输出时C C1 1C C2 2，则，则Z Z1 1Z Z2 2，根据式根据式21ZZ 21j1j1CCddAC1ddAC2X34 次极线圈感应电动势为次极线圈感应电动势为E E，则传感器没工作时空载输出电压为，则传感器没工作时空载输出电压为 有工作时有工作时 可见电桥输出电压除与被测量变化可见电桥输出电压除与被测量变化d d有关外，还与电桥电源电有关外，还与电桥电源电压有关，压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施要求电源电压

28、采取稳幅和稳频措施。因电桥输出电压幅值小，。因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高（输出阻抗高（MWMW级），其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。级），其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。212112121scZZZZEEZZZEEUAddCZjj111AddCZjj122ddEUscX35 2运算放大器式电路运算放大器式电路 将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。反相放大器。 优点：优点：能克服变极距型电容式传感器的非线性。能克服变极距型电容式传感器的非线性。 由运算放大器工作原理可知，在开环放大倍数为由运算放大

29、器工作原理可知，在开环放大倍数为A A和输入阻抗较和输入阻抗较大的情况下，有大的情况下，有 若把若把C Cx x= =eSeS/ /d d代入代入 式中，负号表示输出电压式中，负号表示输出电压u uscsc与电源电压与电源电压u u相位相反。相位相反。 电路要求电路要求: :电源电压稳定，固定电容量稳定，并要放大倍数与输入电源电压稳定，固定电容量稳定，并要放大倍数与输入阻抗足够大。阻抗足够大。 3调频电路调频电路（详见教科书）（详见教科书） C -A电容传感器 Cx u uscuCCuCCuxxsc/j1/j1scCduuS X36 4 4差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路 工作原理工作原理:

30、: 传感器的电容器充放电时，电容量的变化使电路输传感器的电容器充放电时，电容量的变化使电路输出的脉冲宽度随之变化，经低通滤波器得到与被测量变出的脉冲宽度随之变化，经低通滤波器得到与被测量变化相应的直流信号。化相应的直流信号。 双稳态触发器滤波器ARBD2D1RU1C1GFC2ICUrICSdRdQQX37 比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。 设设C C1 1CC2 2,C,C1 1充电速度慢于充电速度慢于C C2 2充

31、电速度，充电速度，U UA A持续时间长于持续时间长于U UB B的持续时间。的持续时间。 UA UA UA B UA B UB UB UF UF UG UG U1 U1 U1 U1 U1 U1 U1 U1 U0 U1 U1 T1 T1 T2 T2 -U1 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t Ur 0 0 UA B A1 A2 0 + U1 双 稳 态 触 发 器 Q Q A B R1 R2 V D1 V D2 F G C1 C2 （ a） X38 C C1 1与与C C2 2的变化由被测量变化引起。经的变化由被测量变化引起。经A A与与B B 两端

32、输出电压两端输出电压U UABAB，再经低，再经低 通滤波器得到一个由被测量变化决定的直流电压通滤波器得到一个由被测量变化决定的直流电压U Uscsc，表示为，表示为 设设R R1 1 = = R R2 2 = = R R，则有，则有结论：结论：输出电压与传感器电容变化的变化量代数和成正比（输出电压与传感器电容变化的变化量代数和成正比（C C1 1与与C C2 2为为 差动式）。差动式）。此电路要求：直流电源电压稳定性高，输出电压信号一般为此电路要求：直流电源电压稳定性高，输出电压信号一般为 0.10.11MHz1MHz的矩形波，再配一低通滤波器就可以得到直流信号。的矩形波，再配一低通滤波器就

33、可以得到直流信号。1212112121211BAscUTTTTUTTTUTTTUUUr11111lnUUUCRTr11222lnUUUCRT12121scUCCCCUX39 5.35.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 5.3.15.3.1边缘效应的影响边缘效应的影响 边缘效应：边缘效应：平板电容器的电场线，在靠近边缘地方会弯曲，越靠边越弯平板电容器的电场线，在靠近边缘地方会弯曲，越靠边越弯曲的厉害，这种现象叫作边缘效应。曲的厉害，这种现象叫作边缘效应。 边缘效应影响：边缘效应影响：使电容传感器的灵敏度降低、产生非线性。使电容传感器的灵敏度降低、

34、产生非线性。 消除边缘效应方法消除边缘效应方法：采用带有保护环的结构采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电。保护环与定极板同心、电气上绝缘、间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各区有均气上绝缘、间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各区有均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。 为减小极板厚度，不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，为减小极板厚度，不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。蒸涂一层金属膜作为极板。带有等位环的平板电容传感器结构原理图带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场123

35、3边缘电场X40 5.3.2 5.3.2 寄生电容的影响寄生电容的影响 寄生电容寄生电容：指电感、电阻、芯片引脚等在高频情况下表现出来的：指电感、电阻、芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。电容特性。 电容式传感器测量系统寄生电容的影响：主要是指电容式传感器测量系统寄生电容的影响：主要是指传感器电容极传感器电容极板并联的寄生电容板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就相对大得多，使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方相对大得多，使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：法可归纳为以下几种：

36、1.1.缩小传感器至测量线路前置极的距离缩小传感器至测量线路前置极的距离 将集成电路、超小型电容器应用于测量电路。可使部分器件与传将集成电路、超小型电容器应用于测量电路。可使部分器件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。了。X41 2.2.驱动电缆法驱动电缆法 驱动电缆法，驱动电缆法，实际上是一种等电位屏蔽法。实际上是一种等电位屏蔽法。 这种接线法使传输电缆的这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。内外屏蔽之

37、间的层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容变成了电容变成了电缆驱动放大器的负载电缆驱动放大器的负载。 因此，驱动放大器是一种输入很高、具有容性负载、放大倍数为因此，驱动放大器是一种输入很高、具有容性负载、放大倍数为1 1的的同相放大器。同相放大器。1：1测量测量电路电路前置级前置级外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传感器传感器“驱动电缆驱动电缆”技术原理图技术原理图X42 3.3.整体屏蔽法整体屏蔽法 整体屏蔽法，整体屏蔽法，是将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）是将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来。用一个统一屏蔽保护起来。 公用极

38、板对地的寄生电容公用极板对地的寄生电容C C1 1只影响灵敏度，两个寄生电容只影响灵敏度，两个寄生电容C C3 3、C C4 4在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不妨碍电桥的在一定程度上影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但不妨碍电桥的正确工作。正确工作。 因此，寄生电容对传感器的电容的影响基本上得到了排除因此，寄生电容对传感器的电容的影响基本上得到了排除。X43 5.3.35.3.3温度影响温度影响 1 1对结构尺寸的影响对结构尺寸的影响 电容式传感器极间隙很小，对结构尺寸变化敏感。电容式传感器极间隙很小，对结构尺寸变化敏感。 各零件材料的膨胀系数不匹配时，温度变化将导致极间隙变化较

39、各零件材料的膨胀系数不匹配时，温度变化将导致极间隙变化较大，产生大的温度误差。大，产生大的温度误差。 减小温度误差方法：减小温度误差方法：尽量选取温度系数小、温度系数稳定的材料，如尽量选取温度系数小、温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。 2 2对介质介电常数的影响对介质介电常数的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气、云母的介电常数空气、云母的介电常数温度系数近似为零。而某些液体

40、介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其温度系数近似为零。而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.070.07；若环境温度变化；若环境温度变化5050，则将带来，则将带来7 7的温度误差。的温度误差。 故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。X44 5.45.4电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器不但应用于电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度、荷重等位移、振动、角度、加速度、荷重等机械量机械量 的测量，也广泛应用于

41、压力、差压力、液压、料位、成分的测量，也广泛应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量等热工参数测量。含量等热工参数测量。 5.4.1 5.4.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容式传感器实质上是位移传感器，它利用弹性膜片在压力下变形所电容式传感器实质上是位移传感器，它利用弹性膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容器的一个电产生的位移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。极）。 镀金属表面123 4 5 pX45 5.4.2 5.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 优点：是频率响应范围大、量程范围大，仅受弹性优点：是频率响应范围大、量程范围大，仅受弹性系统设计限制。系统设计限制。 难点：如