第5章传感器原理

1、第5章 电容式传感器 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性5.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第5章 电容式传感器 优点优点：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。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充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度

2、、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。第5章 电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化+ A 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 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 dSC（5-1） 式中: 电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0为真空介电常数

3、，r极板间介质的相对介电常数； S两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。 第5章 电容式传感器 当被测参数变化使得式（5-1）中的S、 d或发生变化时， 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。因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型。 第5章 电容式传感器 图5-1 电容式传感元件的各种结构形式第

4、5章 电容式传感器 5.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 图 5-2为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为 000dSCr（5-2） 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有 200000000111 ddddCddCddSCCCr（5-3） 第5章 电容式传感器 图5-2 变极距型电容式传感器 Ard第5章 电容式传感器 图5-3 电容量与极板间距离的关系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d第5章 电容式传感器 在式（5-3）中，若d/d01时，1-(d/d0)21，则式 000d

5、dCCC（5-4） 此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。 另外，由式（5- 4）可以看出，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0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, 如图 5-4 所示，此时电容C变为 第5章 电容式传感器 000ddSCgg（5-5） 式中：g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 第5章 电容式传感器 gdgd00图5-4 放置云母片的电容器第5章 电容式传感器 云

6、母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，式（5-5）中的dg/0g项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。 第5章 电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+第5章 电容式传感器 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表

7、面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 第5章 电容式传感器 5.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 图5-5是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为 dbxaCCCr)(00(5-6) 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 axCC0(5-7) 很明显，这种

8、形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 第5章 电容式传感器 图5-5 变面积型电容传感器原理图 bxadxS第5章 电容式传感器 图5-6 电容式角位移传感器原理图 动 极 板定 极 板第5章 电容式传感器 图5-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则 0000dSCr(5-8) 式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。 第5章 电容式传感器 当0时， 则 000001CCdSCr（5-9） 从式（5-9）可以看出，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。 第5

9、章 电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+第5章 电容式传感器 AC0平面线位移型平面线位移型第5章 电容式传感器 柱面线位移型柱面线位移型. .AC0第5章 电容式传感器 产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器第5章 电容式传感器 5.1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 图5-7是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为

10、D，此时变换器电容值为 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111式中：空气介电常数； C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 dDnHC120(5-10) 第5章 电容式传感器 由式（5-10）可见，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图5-8是一种常用的结构形式。 图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为

11、02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 第5章 电容式传感器 02000) 1(LLCCCCCr式中：L0和b0极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度。 若电介质r1=1, 当L=0时，传感器初始电容C0=0rL0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 (5-12) 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 第5章 电容式传感器 图5-7 电容式液位变换器结构原理图 DdHh1第5章 电容式传感器 图5-8 变介质型电容式传感器 L0Ld0r1r2第5章 电容式传感器 表表5-1 电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数

12、 第5章 电容式传感器 产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）第5章 电容式传感器 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电容被测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

13、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。第5章 电容式传感器 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性由式（5-4）可知， 电容的相对变化量为 0011ddCC(5-13) 当|d/d0|1时，上式可按级数展开，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 第5章 电容式传感器 由式（5-14）可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系， 如下式所示： 00ddCC(5-15) 电容传感器的灵敏度为 001/ddCCK(5-16) 它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对

14、变化的大小与d0呈反比关系。 第5章 电容式传感器 如果考虑式（5-14）中的线性项与二次项， 则 0001ddddCC(5-17) 由此可得出传感器的相对非线性误差为 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 由式（5-16）与式（5-18）可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。 第5章 电容式传感器 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。图5-9是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则

15、002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 第5章 电容式传感器 图5-9 差动平板式电容传感器结构图 00d1d2C1C2S第5章 电容式传感器 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有 10UddUo（5-43） 第5章 电容式传感器 同样， 在变面积电容传感器中， 则有 1USSUo（5-44） 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。 二、二、差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路A1A2UrR1R2C1D1D2C2Q Q

16、Q QACBDA3+V-VU0R-S 触发器触发器脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路CCCCCC0201,1.1.电路基本结构（电路基本结构（R- -S 触发器）触发器）2.2.工作过程工作过程 设加电初态设加电初态 则则C1 1充电。开始时刻，充电。开始时刻，VC、VD Ur A2输出低输出低。；01QQ输出低电平输出低电平 C1 1 经经D1放电放电 VC Ur A1输出低电平输出低电平 C2 2 经经D2放电放电 VD Ur， A1恢复高电平。同时恢复高电平。同时C1 1充电。充电。 C1 1充电时间充电时间T110QQ；01QQ；21210212211221121021222111111

17、1CCCCUURRRCRCRCRCRUUTTTUTTTUUUCRTUUUCRTUUURCUUURCtUURCtUUeeUUeUUQQQrQQrQQCQQQCQQCQCRCtRCtQCRCtQC设计。由电容器充电;ln;lnlnlnlnR- -S 触发器高电平输出触发器高电平输出3.3.输出分析输出分析对于变极距差动电容传感器对于变极距差动电容传感器: :ddACddAC0201成线性关系。000000000002121ddUUddddddddddddAddAddAddACCCCQ三、三、运算放大器电路运算放大器电路- -KCxC0 0U0 0Ui运算放大器测量电路运算放大器测量电路aixxxU

18、CCUCjZCjZ1,10000 反相比例放大器：反相比例放大器：.00ZZUUxixixxdACUUdAC 00由于由于dx=d0+d，所以，所以d =0时时U00，欲使，欲使d =0时时U0= 0，可用：，可用：- -KCxC0U0Ui0Ua1R2R1210012101021011,RRRCCUURRRUUURIUURRUUIxiiiii时当1200RRCCxCx0为初态电容为初态电容（d =0）ddAdACdACxxx 000 变极距变极距xidACUU00反相比例放大器：反相比例放大器：UiU00U 1R2R0CxCaI交交流流等等效效电电路路dACCCCUUxxi 00000相位相反

19、相位相反iUU0、第5章 电容式传感器 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 图5-17 差动式电容压力传感器结构图 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器第5章 电容式传感器 图5-17为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形成的两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 第5章 电容式传感器 5.5.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图5-

20、18 差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体第5章 电容式传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 第5章 电容式传感器 5.5.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来

21、对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 第5章 电容式传感器 差动式电容测厚传感器的测量原理框图如图5-19所示。音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1

22、+C2)组成。 电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大， 即可用指示电表指示出带材厚度的变化。 第5章 电容式传感器 图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 音频信号发生器音频放大器全波整流器差动放大器C0C1C2RRCT 2. 电容式物位传感器（物位计）电容式物位传感器（物位计） 根据电容式物位计原理示意图，可以得到该根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的总电容同心圆筒形电容器的总电容C与与Lx成正比：成正比：Rr0L电容式物位计原理示意图电容式物位计原理示意图LxLLrRLLLrRCxxx00022)(ln)(ln 一种实际的电容式液位计模型一种实际的电

23、容式液位计模型这种电容式液位计适合用于测量水或其它具有导这种电容式液位计适合用于测量水或其它具有导电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为外导体，绝缘层为电介质，外导体，绝缘层为电介质，介电常数为介电常数为=0r 。当当浸浸没深度为没深度为h，电缆的芯线，电缆的芯线直径为直径为d1 1，电缆外径为，电缆外径为d2 2时，芯线与导电液体间的时，芯线与导电液体间的电容电容Cx：122ddhCxln与与h成成正比。正比。CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D

24、2D3D4水水中电缆断面水中电缆断面防水绝缘层防水绝缘层芯线芯线h一种实际的电容式物位计一种实际的电容式物位计 模型电路分析模型电路分析 这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为f( (周周期为期为T T ) )的方波驱动。方波低电平为的方波驱动。方波低电平为E1，高电平为，高电平为E2，工作过程如下：，工作过程如下： 方波高电平期间，方波电平经方波高电平期间，方波电平经C1、D1给给Cx充电到充电到E2，又经，又经C1、 Ce、D3给给Cd+ C /d充电到充电到E2 。Cx冲上的电量为冲上的电量为Qx = Cx( (E

25、2- -E1) )；C=(=(Cd+ C /d) )冲冲上的电量为上的电量为Qd =( =(Cd+ C /d)()(E2- -E1) )；( (电感电感L1 、L2阻断了高频方波阻断了高频方波) ) 方波低电平期间，方波低电平期间， Cx上电荷经上电荷经D2、 C1、 Ce放电到放电到E1， C上电荷上电荷经经D4、 C1放电到放电到E1。此期间，。此期间，Ce上的剩余电荷为上的剩余电荷为Q:(:(左负右正左负右正) )CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D2D3D4水水中电缆断面水中电缆断面防水绝缘层防水绝缘层芯线芯线h一种实际的电容式物位计一种实际的电容式物位计 此剩余电荷

26、可形成直此剩余电荷可形成直流电经流电经L1 、M 、L2释放：释放：12-EE C CCx QQQdddx。时成正比，且与则：调节初始电容时设0001200012IhhEECCfICCCCChEECCCfIfQTQIxxxddxxddx)()()(因因Cx与与h成正比。成正比。（二）（二） 特点特点1 1温度稳定性好温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热

27、产生零漂。2 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。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。3 3动态响应好动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N），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，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电

28、，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。4 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,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，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，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。 不足：1 1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器

29、的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十M以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。 2 2寄生电容影响大寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而其引线

30、电缆电容电缆电容(l2m导线可达800pF)、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传感器极板与其周围导体构成的电容的电容等“寄生电容寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度；这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过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3 3、输出特性非线性、输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠

31、加，使输出特性非线性。 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。 （三）（三） 设计要点设计要点电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。1 1保证绝缘材料的绝缘性能保证绝缘材料的绝缘性能 减小环境温度、湿度环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的绝缘性能,

32、温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 电容式传感器的金属电极的材料金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。 传感器内电极表面电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、降

33、低温度系数，但成本较高。 传感器内，电极的支架电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。 尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质电介质（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完

34、全消除。 在可能的情况下,传感器内尽量采用差动对称差动对称结构,这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。 选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电源频率电源频率，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。 传感器内所有的零件零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。 2 2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应适当减小极间距减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。此外，可在结

35、构上增设等位环等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。 带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或工作工作长度长度来增加原始电

36、容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法： 3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2）注意传感器的接地和屏蔽；（）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术（5 5）采用运算放大器法；（）采用运算放大器法；（6

37、6）整体屏蔽法）整体屏蔽法 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。 引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。 绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图 （3 3）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

38、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。 （4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能，如图。 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达准确度要求达1/ /10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。 1：1测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动