电容式传感器概论

1、第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器第4章 电容式传感器 Capacitive Sensors第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器绪绪 论论电容式传感器电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，将被测以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。物理量的变化转换为电容量的变化。特点特点：（1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2 2）小的静电引力和良好的动态特性。）小的静电引力和良好的动态特性。（3 3）本身发热影响小。）本身发热影响小。（4 4）可进行非接触测量。）可进行非接触测量。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和压力、位移、厚度

2、、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。成分含量等测量之中。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和特性电容式传感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 工作原理及类型工作原理及类型电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其转换关系原理如图所示。电容器和测量电路组成，其转换关系原理如图所示。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为板电容器，电容

3、量为0rSSCdd +Srd_第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器可见：在可见：在S、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均可三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压如位移、压力、液位等力、液位等)的变化引起的变化引起S、d、三个参量中之一发生变化，三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：式传感器可分为以下三大类：(1) 极距变化型电容传感器；极距变化型电容传感器；(2) 面积变化型电容传感器；面

4、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。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1.24.1.2电容传感器特性分析电容传感器特性分析1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器00000rSSCdd 设初始电容为：设初始电容为：当间隙当间隙d0减小减小d时时,则电容量增大则电容量增大C，则：，则：0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 电容的相对变化为：电容的相对变化为：00011CddCdd第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器23000001.CddddCdddd当当 时，将上式按泰勒级数展开，得：时，将上式按泰勒级数展开，得：0

5、/1d d可见，电容可见，电容C C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：00CdCd00/1C CKdd电容传感器的静态灵敏度为电容传感器的静态灵敏度为灵敏度随极板间灵敏度随极板间距的减小而增大距的减小而增大第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则非线性误差：只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则非线性误差： 2000(/)100%/100%/Ld dd dd d 由以上分析可知：变极距型电容由以上分析

6、可知：变极距型电容式传感器只有在式传感器只有在d/d0很小时，才很小时，才有近似的线性输出。如图，极距有近似的线性输出。如图，极距变化相同值变化相同值d所对应的电容所对应的电容变化量不同变化量不同Cdd d0 0ddC1 1C2 2C1C2非线性随极板间距非线性随极板间距的减小而增大的减小而增大第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为提高灵敏度和减小非线性，克服为提高灵敏度和减小非线性，克服某些外界条件如电源电压、环境变某些外界条件如电源电压、环境变化的影响，常采用差动式的电容传化的影响，常采用差动式的电容传感器。感器。差动电容器总电容变化为：差动电容器总电容变化为：001202000012

7、1SSdCCCCddddddd 当当 时，将上式按泰勒级数展开，得：时，将上式按泰勒级数展开，得：0/1d d24000021CdddCddd 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器略去非线性高次项，得：略去非线性高次项，得：002CdCd 变极距差动电容式传感器的灵敏度变极距差动电容式传感器的灵敏度K为为0002C CKdd 变极距差动电容传感器的非线性误差变极距差动电容传感器的非线性误差 L近似为近似为%100dd%100)d/d(2)d/d(220030L 差动式结构电容式传感器，非线性误差大大降低，而灵敏度比差动式结构电容式传感器，非线性误差大大降低，而灵敏度比单极距电容传感器提高一

8、倍。与此同时，差动式电容传感器还单极距电容传感器提高一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力带来的测量影响，并有效改善造成的误差。能减小静电引力带来的测量影响，并有效改善造成的误差。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.2.变面积的电容式传感器变面积的电容式传感器第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （1 1）用于线位移测量的电容式传感器）用于线位移测量的电容式传感器0 xb axb xCCdd 动极板移动动极板移动, ,极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：00 xb xxCCCCda

9、Cbkxd 灵敏度：灵敏度：灵敏度为常数灵敏度为常数第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，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，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。成为实际中最常采用的结构。其电容计算式为：其电容计算式为： 2ln(/)xCD d0222()2ln(/)ln(/)ln(/)ln(/)LxLxxCCCD dD dD dD d当重叠长度当重叠长度x变化时，电容量变化为：变化时，电容量变化为：2(/ )CKxln

10、D d灵敏度为：灵敏度为： 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（2 2）用于角位移测量的电容式传感器）用于角位移测量的电容式传感器动片有角位移动片有角位移 时，两极板间的覆盖面积改变，电容量改变。时，两极板间的覆盖面积改变，电容量改变。 00CCCC 000()(1)SSCCd当转动当转动 角时，角时， 00SCd当当 =0=0时时，0CCK 灵敏度：灵敏度：角位移式电容传感器的输出特角位移式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度性是线性的，灵敏度K为常数为常数。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器3.变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器电容式液位传感器电容式液位传感器同轴圆柱形电

11、容器的初始电容为同轴圆柱形电容器的初始电容为: :00212()hCln rr 电容式液位传感器结构原理图第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 1212()xhCln rr02212()()xhhCln rr测量时，电容器的介质一部分是被测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。测液位的液体，一部分是空气。设设C1为液体有效高度为液体有效高度hx形成的电容，形成的电容，C2为空气高度（为空气高度（h-hx）形成的电容，）形成的电容，则则:由于由于C1和和C2为并联，所以总电容为为并联，所以总电容为:等效电路 电容式液位传感器结构原理图第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器

12、00021212121000022()22()()()()()()xxxxxhhhhhCln rrln rrln rrln rrCChh 可见，电容可见，电容C理论上与液面高度理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感成线性关系，只要测出传感器电容器电容C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。设另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。设电容器极板面积为电容器极板面积为S，间隙为，间隙为a，当有一厚度为，当有一厚度为d，相对介电，相对介电常数为常数为 r的固体介质通过极板间隙，相当

13、于电容串联，因此的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：电容器的电容值为：0001rrSCadddadSS 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（1)若改变固体介质的相对介电常数若改变固体介质的相对介电常数 ，则，则有电容量的相对变化为有电容量的相对变化为:rrr23232333111rrrrrrrrrrrrCNCNNNNN第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器211/rNadd311/rNdad其中，其中， 为灵敏度因子，随间隙比为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大增大而增大；而增大；为非线性因子，随间隙比为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。增大而

14、减小。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（2）若保持）若保持 r不变，改变介质不变，改变介质厚度，则可测量介质厚度变化，厚度，则可测量介质厚度变化，442444111CdNdCdNddddNNNddd其中，其中，411/rrNadd，为灵敏度因子和非线性因子。为灵敏度因子和非线性因子。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（3）若被测介质充满两极板间，则）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为，此时初始电容为00rSCd ，则，则， , ,即即rrrrCCCC0000rrrrSSCCCCdd 若若0rSCd 可见，可见，与与r 成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情

15、成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。况，如测原油含水率。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.2 4.2 电容式传感器的特点及设计要点电容式传感器的特点及设计要点(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，其他因素等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感影响甚微

16、。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，引起本身发热产生零漂。式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。1.1.电容式传感器的优点电容式传感器的优点4.2.1 4.2.1 电容传感器的特点电容传感器的特点第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(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、过载等其可以承受很大的温度

17、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。某些特殊要求的测量。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（3）静电引力小）静电引力小电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，

18、电常数、极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力造成的测量误差。力造成的测量误差。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(4)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），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，因此其得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响固有频率很高，动态响应时间短，能在几应时间短，能在几MHz的频

19、率下工作，特别适合动态测量。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，因此系统工作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化的参数，如测量振动、瞬频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。时压力等。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(5)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,电容传感器可以电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平电容式传感器具有平均效应

20、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。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，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，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，能感受可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小甚至更小的位移。的位移。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能

21、力差电容式传感器的容量受其电极尺寸等限制，一般为几十到电容式传感器的容量受其电极尺寸等限制，一般为几十到几百几百pF，传感器的输出阻抗很高。当采用音频范围内的交，传感器的输出阻抗很高。当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达流电源时，输出阻抗高达106108。故传感器负载能力差，。故传感器负载能力差，易受外界干扰而产生不稳定现象，甚至无法工作，必须采易受外界干扰而产生不稳定现象，甚至无法工作，必须采取屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高取屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十（几十M以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响

22、传感器的性能（如灵敏度降低），为此应特别注意环境如温感器的性能（如灵敏度降低），为此应特别注意环境如温湿度、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。电容影响加大，难以保证工作稳定。 2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(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，而其引线传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线导线可达可达800pF

23、)、测量电路的、测量电路的杂散电容杂散电容以及以及传感器极板与其周传感器极板与其周围导体构成的电容围导体构成的电容等等“寄生电容寄生电容”却较大，却较大，降低了传感降低了传感器的灵敏度；器的灵敏度；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，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。对电缆选择、安装、接法有要求。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器(3)输出特性非线性输出特

24、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加，使输出特性非线性。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，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

25、服。电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。压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.2.2 4.2.2 电容传感器设计要点电容传感器设计要点1.消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应边缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差边缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差也增加。为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采也增加。为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护

26、环的结构，如图所示。用带有保护环的结构，如图所示。（a）消除边沿效应原理图 （b）带保护环的电容传感器结构第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.提高结构设计中的绝缘性能提高结构设计中的绝缘性能 减小减小环境温度、湿度环境温度、湿度等变化所产生的误差等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的以保证绝缘材料的绝缘性能绝缘性能,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置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产生温度误差。湿度也影响某些介质

27、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。误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。电容式传感器的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，这样电极可做得极薄，对减小边缘效应极为有利。的工艺，这样电极可做得极薄，对减小边缘效应极为有利。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器传感器内传感器内电极表面电极表面不便经常清洗，应加以

28、密封；用以防尘、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、降低温度系数，但成本较高。温下可减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。传感器内所有的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

29、。降。传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器传感器内，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、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工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不

30、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。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电介质质（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。（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，但无法完全消除。虽可用后接的电子电路加以补偿，

31、但无法完全消除。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器在可能的情况下在可能的情况下,传感器内尽量采用传感器内尽量采用差动对称差动对称结构结构,这样可以这样可以通过某些类型的测量电路通过某些类型的测量电路(如电桥如电桥)来减小温度等误差。来减小温度等误差。 选用选用50kHz至几至几MHz作为电容传感器的作为电容传感器的电源频率电源频率，以降低，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。对传感器绝缘部分的绝缘要求。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的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

32、它。可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：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）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化）集成化（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）采用运算放大器法；）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法）整体屏蔽法第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（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采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为平板式间距为0.20.5mm，圆筒式

33、间距为圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，范围内，相对值变化在相对值变化在 10-61范围内。范围内。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （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中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，传感器的屏

34、蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，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。此产生的虚假信号。引线电缆也必须屏蔽在引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。路前置级的距离。 接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图绝缘体绝缘体屏蔽壳屏蔽壳固定极筒固定极筒可动极筒可动极筒连杆连杆导杆导杆第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（3）集成化）集

35、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传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不固定不变变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不，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。能在高、低温或环境差的场合使用。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（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，而因某些原因当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度如环境

36、温度较高较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为技术。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，其其内屏蔽层内屏蔽层与信号传输线与信号传输线(即电缆芯线即电缆芯线)通过通过1:1放大器成为放大器成为等电位，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“驱动电缆驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达。采用这种技术可使电缆线长达10m之远也之

37、远也不影响仪器的性能。不影响仪器的性能。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器外屏蔽层外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。放大器的负载。1:1放大器是一个放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相的同相(要要求相移为零求相移为零)放大器。放大器。“驱动电缆驱动电缆”技术对技术对1:1放大器要求很放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于小于1pF时，时，

38、也能正常工作。也能正常工作。 “驱动电缆”技术原理图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当电容式传感器的初始电容当电容式传感器的初始电容值很大值很大(几百几百F)时，选择适时，选择适当的接地点仍可采用一般的当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长同轴屏蔽电缆，电缆可以长达达10m，仪器仍能正常工作。，仪器仍能正常工作。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（5）整体屏蔽法）整体屏蔽法将电容式传感器和转换电路、传输电缆用同一个屏蔽壳屏蔽，将电容式传感器和转换电路、传输电缆用同一个屏蔽壳屏蔽，正确选取接地点可减小寄生电容的影响、防止外界

39、干扰。下图正确选取接地点可减小寄生电容的影响、防止外界干扰。下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂接地点选择在两固定辅助阻抗臂 Z3和和Z4中间，使电缆芯线与其中间，使电缆芯线与其屏蔽屏蔽层之间的层之间的寄生电容寄生电容CP1和和CP2分别与分别与Z3和和Z4相并联。如果相并联。如果Z3和和Z4比比CP1和和CP2的容抗小得多的容抗小得多，则寄生电容，则寄生电容CP1和和CP2对电桥平衡状态的影响对电桥平衡状态的影响就很小。就很小。交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A第第4

40、4章章 电容式传感器电容式传感器最易满足上述要求的是变压器电桥，这时最易满足上述要求的是变压器电桥，这时Z3和和Z4是具有中是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z3和和Z4的电的电流大小基本相等但方向相反。因流大小基本相等但方向相反。因Z3和和Z4在结构上完全对称，在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零，所以线圈中的合成磁通近于零，Z3和和Z4仅为其绕组的铜电仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容Cpl和和Cp2对对Z3和和Z4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的分路作用

41、即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的平衡。的平衡。还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容电容传感器两电容C1和和C2之间。这样进一步降低了外界电之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出以上时仍能测出 1pF的电容。的电容。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当外界干扰当

42、外界干扰(如电磁场如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器u屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。级等等。u增加原始电容量，降低容抗。增加原始电容

43、量，降低容抗。u导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。u尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。宽印制线。u采用差动式电容传感器，采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 防止和减小干扰的措施归纳为：防止和减小干扰的措施归纳为：第第4 4章章 电容式传感

44、器电容式传感器4.34.3电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路电容式传感器的全等效电路如图所示。图电容式传感器的全等效电路如图所示。图中，中，L为包括引线电缆的电感和电容式传为包括引线电缆的电感和电容式传感器本身的电感；感器本身的电感；r包括引线电阻、极板包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻；电阻和金属支架电阻；Rg是极间等效漏电是极间等效漏电阻，包含极板间的漏电损耗和介质损耗、阻，包含极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；C0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的

45、总寄生接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容。电容。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容量一般很小，容抗很电容式传感器电容量一般很小，容抗很大，而工作频率一般较高，故略去图中大，而工作频率一般较高，故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为为11CeZj Lj Cj C式中，式中，C=CP+C0第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器21eCCLC则等效电容为则等效电容为211eeCCCCLC实际电容相对变化为实际电容相对变化为22/111eeeCCC CKKddLCLC因此实际的灵敏度为因此实际的灵敏度为可见电容传感器的等效灵敏度可

46、见电容传感器的等效灵敏度Ke与传感器的固有电感与传感器的固有电感L有关有关，且随，且随变化而变化。因此，在实际应用前必须要进行标定变化而变化。因此，在实际应用前必须要进行标定，否则将会引入测量误差。，否则将会引入测量误差。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.44.4电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4.1 4.4.1 调频测量电路调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。就发生变化。第第4 4

47、章章 电容式传感器电容式传感器01012()ifffL CCCC调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化级位移变化量，易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。量，易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。当电容发生变化时，频率变为当电容发生变化时，频率变为01012()ifL CCC当被测信号为零时当被测信号为零时,C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0，即，即:第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.2 4.4.2 交流电桥测量电路交流电桥测量电路变压器电桥具有使用元件变压器电桥具有使用元件

48、最少，桥路内阻最小的特最少，桥路内阻最小的特点。电桥输出电压为点。电桥输出电压为: 1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCCC第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器002EdUd0U若传感器为变极距式差动电容传感器，则电桥输出为：若传感器为变极距式差动电容传感器，则电桥输出为： 经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压USC大小与位大小与位移成线性关系，其正负极性反映位移的方向。移成线性关系，其正负极性反映位移的方向。1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCC

49、C第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器00000 ,0 :11aixxxUIUjICUjICII 由CxC0 Ixui aI0 b -Ku04.4.34.4.3运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器0000;ixxiCUUCSCdCUUdS 解 得 :而代 入 上 式 得 :CxC0 Ixui aI0 b -Ku0第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.44.4.4二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥当当UE为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导通、导通、VD2截止，于是截止，于是C1充电充电;在随后负半在随后负半周出现时，周出

50、现时，C1上的电荷通过电阻上的电荷通过电阻R1，负载电阻负载电阻RL放电，放电， 流过流过RL的电流的电流为为I1。UE在负半周内，在负半周内，D2导通、导通、D1截止，则截止，则C2充电，在随后出现正半充电，在随后出现正半周时，周时，C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻，负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2。根据。根据所给的条件，则电流所给的条件，则电流I1 =I2，且方向，且方向相反，在一个周期内流过相反，在一个周期内流过RL的平均的平均电流为零。电流为零。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成若将二极管理想化，当电源为正

51、半周时，电路可等效成一阶电路一阶电路 当供电电压是幅值为当供电电压是幅值为UE、周期为周期为T、占空比为、占空比为50%的方的方波，可直接得到流过电容波，可直接得到流过电容C2的的电流电流iC2：221()exp()()LLCELLLLRRRtiURR RRRRR RRRC第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器221()exp()()LLCELLLLRRRtiURRRRRRRRRR C正半周电流正半周电流iC2的平均值的平均值IC2可以写成：可以写成：22222002111TLCCCELRRIidtidtU CTTT RR第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器1121LCELRRIU CT

52、 RR同理，可得负半周时流过电容同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流的平均电流IC1为为012122(2)()()()LLLECCLLRRRRRRUUIICCRRTRR故在负载故在负载RL上产生的电压为：上产生的电压为：第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2(2)()LLLRRRRRR012()EUKfUCC当当RL已知时，已知时， 为常数，设为为常数，设为K，则：，则：式中，式中，f电源电压的频率。电源电压的频率。表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与而且与T形网络中的电容形网络中的电容C1和和C2的差值有关

53、。当电源参数确的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容定后，输出电压只是电容C1和和C2的函数。的函数。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.5 4.4.5 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路如图如图,C1、C2为传感器的差动为传感器的差动电容，当电源接通时，设双电容，当电源接通时，设双稳态触发器的稳态触发器的A端为高电位，端为高电位，B端为低电位，因此端为低电位，因此A点通过点通过R1对对Cl充电，直至充电，直至F点上的点上的电位等于参考电压电位等于参考电压Ur时，比时，比较器较器A1产生一个脉冲，触发产生一个脉冲，触发双稳态触发器翻转，双稳态触发器翻转，A点成点成低电位，低

54、电位，B点成高电位。此点成高电位。此时时F点电位经点电位经二极管二极管VD1迅速放电至零，而同时迅速放电至零，而同时B点的高电位经点的高电位经R2向向C2充电。当充电。当G点的电位充至点的电位充至Ur时，比较器时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使使A点成高电位，点成高电位，B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方调制的脉冲方波。波。 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器C1C2 时时 C1C2 时时

55、第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器当电阻当电阻R1= R1=R时，时， 则为：则为： 120112CCUUCCuAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压经过滤波后，即可得到一直流输出电压U0 11211210121212()TUTUTT UUTTTTTT1112211211lnln;rrRCUR CUTTUUUU式中：式中：如果是变间隙式，则：如果是变间隙式，则： 因为：因为： d1= d0+d; d2= d0-d; d1+d2= d0；则：；则：120112ddUUdd010dUUd第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.54.5电容式传感器的应用电容式传感器的应用1.电容式接近开关

56、电容式接近开关 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器齐平式齐平式 非齐平式非齐平式电容式接近开关外形电容式接近开关外形非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装非齐平式安装时，传感器非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。高于安装支架，易损坏。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加图示为电容开关在工

57、程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当决定工作台何时换向。当“A”A”号传感器有输出信号时，使主电号传感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；当当“B” B” 号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，

58、从而使工作台向左运动。这样，就实现了工接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。作台的行程限位。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.2. 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m m处。当油箱处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量中的油位降低时，电容传感器的电容量C Cx x减小，电桥失去平衡，减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RPRP的的滑动臂移动。当滑动臂移动。当RPRP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状

59、态，阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x x 处）。处）。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置第第4 4章章 电容式传感器

60、电容式传感器 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波纹隔柔性不锈钢波纹隔离膜片离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹性平膜片 1010 腔腔第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.电容式转速传感器电容式转速传感器设齿数为设齿数为Z Z，由计数器得到的频率，由计数器得到的频率为为f f，则转速，则转速n n（r r/ /minmin）为）为: :60/nfZ5.5.电容式位移传感器电容式位移传