第四章 电容式传感器

1、传 感 器机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982 办公室：12#527第四章第四章 电容式传感器电容式传感器优点优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。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。容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含：压力、位移、厚

2、度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。量等测量之中。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。它实质上是一个具有可变参数的电容器。一、工作原理一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。SSSCr0第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型公式分析：公式分析：、S S和和r r中的某一项或几项有变化时，就改中的某一项或几项有变化时

3、，就改变了电容变了电容C C。或或S S的变化可以反映线位移或角位移的变化，的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；也可以间接反映压力、加速度等的变化；r r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。变化。 二、类型二、类型三种基本类型三种基本类型：l变极距（变间隙）变极距（变间隙）() )型型l变面积型变面积型( (S S) )型型l变介电常数变介电常数(r r) )型型表表4-14-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。列出了电容式传感器的三种基本结构形式。l位移位移：线位移和角位移两种。：线位移和角位移两种。l极板形状

4、极板形状：平板或圆板形和圆柱：平板或圆板形和圆柱( (圆筒圆筒) )形，虽还有球面形和形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。线性范围宽、稳定性高。 C- 特性曲线1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 图中极板图中极板1 1固定不动，极板固定不动，极板2 2为可动电极为可动电极( (动片动片) )，当动片随被，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变测量变化而

5、移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化化 ，其电容变化量，其电容变化量C C为为2变极距型电容传感器1CC0C C0 0极距为极距为时的初始电容量。时的初始电容量。 0CSSSC讨论：讨论：该类型电容式传感器存在着该类型电容式传感器存在着原理非线性原理非线性，所以实际，所以实际应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改善其非线性。善其非线性。2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 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。而圆柱形结构受极板径向变化的影响

6、很小，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，其中线位移单组式的电容量成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C C在忽在忽略边缘效应时为略边缘效应时为l l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r r2 2、r r1 1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l l时，电容变化量时，电容变化量C C为为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性, ,大多用来检测位

7、移等参数。大多用来检测位移等参数。 2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 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。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，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，其中线位移单组式的电容量成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C C在忽在忽略边缘效应时为略边缘效应时为l l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r r2 2、r r1 1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对

8、移动当两圆筒相对移动l l时，电容变化量时，电容变化量C C为为3 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液液位位，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，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量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。n若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为电容量与被测厚度的关系为 x厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxabCn若忽略

9、边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为器的电容量与被位移的关系为 C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a a、b b、l lx x: :固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；: :两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x x、0 0: :被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l平板形lxn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传

10、感器的电容量与被液位的关系为量与被液位的关系为 液位传感器液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。注意事项：注意事项：若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层（如（如0.1mm0.1mm的聚四氟乙烯等）。的聚四氟乙烯等）。2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路L L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：包括引线

11、电缆电感和电容式传感器本身的电感：r r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C C0 0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；C Cp p为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；R Rg g是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。C0CpRgLr第二节第二节 转换电路转

12、换电路CeReLreCe讨论：讨论：l在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L L和和r r的影响可以的影响可以忽略。其等效电路可简化为图忽略。其等效电路可简化为图4-4 b4-4 b，其中等效电容，其中等效电容C Ce e= =C C0 0+ +C Cp p，等效电阻等效电阻R Re eR Rg g。 l在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L L和和r r的影响不可忽的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图4-4 c4-4 c。其中。其中C Ce e= =C C0

13、 0+ +C Cp p，而，而r re er r。l电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHzMHz。供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/31/31/21/2，传感，传感器才能正常工作。器才能正常工作。 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) )或两个相邻臂，另两个臂可以是或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻电阻或或电容电容或或电感电感，也可是，也可是变压器的两个二次线圈变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是。其中另两个

14、臂是紧耦合电感臂紧耦合电感臂的电的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压变压器式电桥器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。二、电桥电路二、电桥电路特点特点：高频交流正弦波供电；高频交流正弦波供电； 电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；幅、稳频等措施； 通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作

15、在平衡通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；自动平衡电桥； 输出阻抗很高输出阻抗很高( (几几MM至几十至几十M)M)，输出电压低，必须后，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 三、二极管双三、二极管双T T形电路形电路 电路原理如图电路原理如图(a)(a)。供电电压是幅值为。供电电压是幅值为U UE E、周期为、周期为T T、占空、占空比为比为5050的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电的方波

16、。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图路等效成典型的一阶电路，如图( (b b) )。其中二极管。其中二极管VDVD1 1导通、导通、VDVD2 2截截止，电容止，电容C C1 1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C C2 2的电压初始值为的电压初始值为U UE E。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容得到电容C C2 2的电流的电流i iC2C2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1UERLRLRRRR+iC1i

17、C2在在R R（RRRRL L）/ /（R RR RL L）C C2 2T T/2/2时时, , 电流电流i iC2C2的平均值的平均值I IC2C2可以写成下式：可以写成下式： 22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC同理，负半周时电容同理，负半周时电容C C1 1的平均电流的平均电流: : 电路特点：电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；电源

18、周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R RL L，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 1121CURRRRTIELLC故在负载故在负载R RL L上产生的电压为上产生的电压为 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路 又称又称差动脉宽差动脉宽( (脉冲宽度脉冲宽度) )调制电路调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电利用对传

19、感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。信号。图图4-64-6为差动脉冲调宽电路原理图，图中为差动脉冲调宽电路原理图，图中C C1 1、C C2 2为差动式传为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；电容值与传感器电容初始值相等；A A1 1、A A2 2是两个比较器，是两个比较器，U Ur r为其参考电压。为其参考电压。U UABAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，

20、得到直流电压U U0 0为为 UTTTTUTTTUTTTU21212122110U UA A、U UB BA A点和点和B B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T T1 1、T T2 2 分别为分别为C C1 1和和C C2 2的充电时间；的充电时间；U U1 1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间T T1 1、T T2 2为为 rLLLUUUCRTln11rLLLUUUCRTln22则则 UCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。 设电

21、容设电容C C1 1和和C C2 2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为1 1、2 2和和S S1 1、S S2 2，将平，将平行板电容公式代入上式，对行板电容公式代入上式，对差动式变极距型差动式变极距型和和变面积型变面积型电容式传电容式传感器可得感器可得 可见差动脉冲调宽电路能适用于可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器任何差动式电容式传感器，并具有理论上的并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。这是十分可贵的性质。 另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏

22、检波与解调等；对不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。矩形波的纯度要求也不高。 USSSSUUU1212021120；五、运算放大器式电路五、运算放大器式电路 其最大特点是其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图其原理如图将将C Cx x = = 代入上式得代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0 讨论：讨论： 负号表明输

23、出与电源电压反相。负号表明输出与电源电压反相。 显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。上保证了变极距型电容式传感器的线性。 这里是假设放大器开环放大倍数这里是假设放大器开环放大倍数A=A=，输入阻抗，输入阻抗ZiZi=，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A A和和ZiZi足够大，足够大，所以这种误差很小。所以这种误差很小。 六、调频电路六、调频电路l 电容传感器为振荡谐振回路的一部分；电容传感器为振荡谐振回路的一部分；l 输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡

24、频率变化。输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。l 频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。C2传感器电容。容；传感器引线的分布电；谐振回路的固有电容谐振回路电感；如下：振荡器振荡频率CCCCLCCCCLLCff021021)(2121 第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点一、主要性能一、主要性能1 1、静态灵敏度、静态灵敏度是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变化之比。对于变极距型变极距型其静态灵敏度其静态灵敏度k kg g为为

25、 /110CCKg43201CKg 可见其可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化量而变化。减小。减小可以提高灵敏度。但可以提高灵敏度。但过小易导致过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为电容器击穿（空气的击穿电压为3kV3kVmmmm）。可在极间）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于加一层云母片（其击穿电压大于 10103 3kV/mmkV/mm）或塑料膜）或塑料膜来改善电容器耐压性能。来改善电容器耐压性能。灵敏度取决于灵敏度取决于r r2 2/ /r r1 1，r r2 2与与r r1 1越接近，灵敏度越高越接近，灵敏度越高。虽然内外极

26、筒。虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。到传感器的线性。 另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动结构形差动结构形式式来提高静态灵敏度，一般来提高静态灵敏度，一般提高一倍提高一倍。例如，对变面积型差动式。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为线位移电容式传感器，其静态灵敏度为 120/ln2rrlClCkg对于对于圆柱形变面积型圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为电容式传感器，其静态灵敏度为121212/ln4/ln2/

27、ln2rrlrrllrrlllCKg可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式传感器在忽略电容式传感器在忽略边缘效应边缘效应时，其输入被测量与输出电容量呈时，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静态灵敏度为常数。线性关系，因而其静态灵敏度为常数。 显然，输出电容显然，输出电容C C与被测量之间是非线性关系。与被测量之间是非线性关系。 只有当只有当/ /11时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为 C CC C0 0( (/ /) )。由于。由于取值不能大，否则将降低灵敏

28、度，因此变极取值不能大，否则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内，而且距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内，而且最大应最大应小于极板间距小于极板间距的的1/51/51/101/10。/1100CCC 2 2、非线性、非线性 对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：变化：3201CC可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。可见，差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。采用差动形式，并取两电容之差为输出量采用差动形式，并取两电容之差为输出量C C42012CC二、特点二、特点主

29、要优点：主要优点：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，有利于选择温度系数低的材料；尺寸，有利于选择温度系数低的材料；因本身发热极小，影响甚微。因本身发热极小，影响甚微。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。电容式传感器结构简单，易于制造。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。量。金属作电极，无机材料作支撑。能在金属作电极，无机材料作支撑。能在高低温、强辐射及强磁高低温、强辐射及强磁场场等

30、各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常等情况下都能正常工作。工作。3 3动态响应好动态响应好极板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此极板间的静电引力很小，可动部分质量很轻，因此其固有频其固有频率很高率很高，动态响应时间短，能在几，动态响应时间短，能在几MHzMHz的频率下工作，特别适的频率下工作，特别适合动态测量。合动态测量。介质损耗小可以用较高频率供电，因此介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高系统工作频率高。可用于可用于测

31、量高速变化的参数测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。，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, ,电容传感器可以完电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时成测量任务。当采用非接触测量时, ,电容式传感器具有平均效电容式传感器具有平均效应应, ,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。 a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器缺点：缺点：1 1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力

32、差容量受其电极几何尺寸限制，一般为几十到几百容量受其电极几何尺寸限制，一般为几十到几百pFpF，输，输出阻抗很高。尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出出阻抗很高。尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达阻抗高达10106 610108 8。因此传感器负载能力差，易受外界。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，必须采取干扰影响而产生不稳定现象，必须采取屏蔽措施屏蔽措施。容抗大还要求传感器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（几十MM以以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能上），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

33、度降低）。（如灵敏度降低）。2 2寄生电容影响大寄生电容影响大l表现：表现：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(l(l2m2m导线可达导线可达800pF)800pF)、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传感器极板与其周围导体构成的电容周围导体构成的电容等等“寄生电容寄生电容”却较大。却较大。l影响：影响：降低了传感器的灵敏度；降低了传感器的灵敏度；寄生电容寄生电容( (如电缆电容如电缆电容) )常随机变化，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此常随机变化，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆选择、安装、接法有要

34、求。对电缆选择、安装、接法有要求。l措施：措施：随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速随着材料、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。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。三、三、 设计要点设计要点1 1减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能主要影响：主要影响：温度变化使传感器内各零件的温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置几何尺寸和相互位置及某些及某些介质介质的介电常数发生改变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,

35、 ,产生温度误差。产生温度误差。湿度也影响某些介质的湿度也影响某些介质的介电常数介电常数和绝缘电阻值。和绝缘电阻值。措施：措施：l电极设计：电极设计：金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金；也金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金；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。极薄，对减小边缘效应极为有利。l密封：密封：内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮；在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可防潮；在电极表面镀以极薄的惰性金属（

36、如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。l电极支架设计：电极支架设计：要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。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、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。人造宝石及各种陶瓷等做支架。l电介质选择：电介质选择：尽量采用空气等介电常数近零的电介质。尽量采用空气等介电常数近零的电介质。2 2消除和减小边缘效应消除

37、和减小边缘效应适当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，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。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。场的影响。结构上增设结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。等位环来消除边缘效应。等位环3 3与电极与电极2 2在同一平在同一平面上并将电极面上并将电极2 2包围，包围，且与电极且与电极2 2电绝缘但等电位电绝缘但等电位，这就能使电极，这就能使电极2 2的边缘电力线

38、平直，电极的边缘电力线平直，电极1 1和和2 2之间的电场基本均匀，而发散的之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环边缘电场发生在等位环3 3外周不影响传感器两极板间电场。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（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距( (平板式间距为平板式间距为0.20.20.5mm0.5mm，圆筒式间距为圆筒式间距为0.15mm)0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或或工作长度工作长度来增加原始电来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值

39、范围、击穿电压、结构容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在等限制。一般电容值变化在 1010-3-310103 3 pF pF范围内。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：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

40、）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 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。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可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳，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，之间的电容值将保

41、持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。从而消除了由此产生的虚假信号。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。传感器屏蔽壳内。为减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。 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 将将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去内，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变

42、固定不变，使仪器工作稳定。使仪器工作稳定。（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) )技术技术适用情况：当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因适用情况：当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因( (如如环境温度较高环境温度较高) )，测量电路只能与传感器分开。，测量电路只能与传感器分开。引线为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，其内屏蔽层与信号传输线( (即电缆芯线即电缆芯线) )通过通过1:11:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的放大器成为等电位，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

43、化而变化的电压，因电容。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10m10m之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。1：1测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图（5 5）采用运算放大器法）采用运算放大器法l电容传感器的一个电极经电容传感器的一个电极经电缆芯线电缆芯线接运算放大器的虚地接运算放大器的虚地点点, ,电电缆的屏蔽层缆的屏蔽层接仪器地接仪器地, ,这时与传感器

44、电容相并联的为等效电缆电这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容容C Cp p/(1/(1A)A)，因而大大地减小了电缆电容的影响。，因而大大地减小了电缆电容的影响。l外界干扰因外界干扰因屏蔽层屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。接仪器地，对芯线不起作用。l传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。-AuoCCxu利用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法l 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响个屏蔽壳

45、屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。和防止外界的干扰。l差动电容式传感器交流电桥差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层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 Z Z3 3和和Z Z4 4中间中间。l电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容C CP1P1和和C CP2P2分别与分别与Z Z3 3和和Z Z4 4相并联相并联。如果。如果Z Z3 3和和Z Z4 4比比C CP1P1和和C CP2P2的容抗小得多，则寄生电容的容抗小得多，则寄生电容C CP1P1和和C CP2P2对电桥平衡状

46、态的影响就很小。对电桥平衡状态的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A4 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。接地点不同所产生与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。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。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。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： u屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前屏蔽和接地。传

47、感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。置级等等。u增加原始电容量，降低容抗。增加原始电容量，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。排列，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。或宽印制线。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。灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿

48、度等误差。 第四节第四节 电容式传感器举例电容式传感器举例一、集成式电容传感器一、集成式电容传感器 构成：构成：运用集成电路工艺可以把电容敏感元件运用集成电路工艺可以把电容敏感元件与测量电路制作在一起与测量电路制作在一起 。 核心部件：核心部件：对被测量敏感的集成电容器。对被测量敏感的集成电容器。 （一）基本类型及工作原理（一）基本类型及工作原理1 1、加速度集成电容传感器、加速度集成电容传感器l 技术应用技术应用：多晶硅表面微加工技术：多晶硅表面微加工技术 。l 结构组成结构组成：三层多晶硅组成的差动电容器结构，各层多晶硅之三层多晶硅组成的差动电容器结构，各层多晶硅之间由气隙隔开。间由气隙隔

49、开。顶层顶层( (第一层第一层) )和底层和底层( (第三层第三层) )是固定不动的，第二是固定不动的，第二层是一个作为振动物的悬臂梁。层是一个作为振动物的悬臂梁。第一层多晶硅与第二层之间构成底层电容第一层多晶硅与第二层之间构成底层电容C C1 1，第二，第二层与第三层之间构成顶层电容层与第三层之间构成顶层电容C C2 2。 第一层多晶体第二层多晶体第三层多晶体衬底顶帽加速度集成压力传感器加速度集成压力传感器l 工作原理：工作原理：当没有加速度作用时，悬臂梁处于顶层和底层的中当没有加速度作用时，悬臂梁处于顶层和底层的中间位置。间位置。C C1 1 = = C C2 2，系统处于平衡状态。，系统

50、处于平衡状态。当有加速度作用时，悬臂梁与顶层和底层之间产生当有加速度作用时，悬臂梁与顶层和底层之间产生位移，使其中一个电容器的极间距增大，而另一个位移，使其中一个电容器的极间距增大，而另一个的减小。的减小。此类属于变极距型的差动电容传感器，而且电容变此类属于变极距型的差动电容传感器，而且电容变化量的大小与加速度成正比。化量的大小与加速度成正比。l 设计要点：设计要点：悬臂梁做长，提高灵敏度；悬臂梁做长，提高灵敏度；衬底和顶帽，限制变形和断裂，控制移动方向垂直；衬底和顶帽，限制变形和断裂，控制移动方向垂直；空气阻尼衰减共振；空气阻尼衰减共振；移动范围移动范围2-5 m m，测量范围，测量范围0.

51、2-0.5 0.2-0.5 m m。2 2、压力集成电容传感器、压力集成电容传感器l 技术应用技术应用：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合以及常：硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合以及常规集成电路工艺技术。规集成电路工艺技术。l 结构组成结构组成：电容器的两个电极，一个处在玻璃上，另一个在硅电容器的两个电极，一个处在玻璃上，另一个在硅片的薄膜上。片的薄膜上。硅薄膜是由腐蚀硅片的正面硅薄膜是由腐蚀硅片的正面( (约几微米约几微米) )和反面和反面( (约约200200m)m)而形成的，而形成的，在硅片和玻璃键合在一起之后，就形成了具有一定在硅片和玻璃键合在一起之后，就形成了具有一定间隙的电容器。间隙的电

52、容器。 l 工作原理工作原理：当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生：当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜就发生形变使电容器两极的间距发生变化，因而引起电容量形变使电容器两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。的变化。 玻璃电极Si硅模p（二）转换电路（二）转换电路1 1、开关电容转换电路、开关电容转换电路l 结构组成：结构组成：三个三个MOSMOS开关、两个差动电容开关、两个差动电容( (即传感器电即传感器电容容) )C C1 1和和C C2 2以及一个反向器组成取样保持电路和积分电以及一个反向器组成取样保持电路和积分电路。路。 l 工作原理：工作原理：振荡器产生的开关脉冲控制开关振荡器产生的开关

53、脉冲控制开关S S1 1和和S S2 2分别将分别将C C1 1和和C C2 2接参考电压接参考电压U URefRef或接地，即轮流给或接地，即轮流给C C1 1和和C C2 2充电，充电，C C1 1和和C C2 2的电荷又转移给的电荷又转移给C C3 3。S S3 3为复位开关。为复位开关。 前半周期，开关前半周期，开关S S1 1接接U URefRef而开关而开关S S2 2接地，则形成输出接地，则形成输出电压电压U U0 0为为C C1 1U URefRef/ /C C3 3；后半周期，开关；后半周期，开关S S2 2接接U URefRef而开而开关关S S1 1接地，则形成输出电压接

54、地，则形成输出电压U U0 0为为C C2 2U URefRef/ /C C3 3。 输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的输出电压经隔直后为一方波电压，其前后半周期的幅值差为幅值差为(U(URefRef/C/C3 3)(C)(C1 1C C2 2) )。该幅值差与电容变化。该幅值差与电容变化量成正比。量成正比。URefU0S1S2C1C2C32 2、二极管环形检波转换电路、二极管环形检波转换电路在激励信号的正半周，有电荷从在激励信号的正半周，有电荷从B B点通过点通过VDVD2 2对对C Cx x充充电，同时也有电荷从电，同时也有电荷从A A点经过点经过VDVD3 3对对C C0 0充

55、电。充电。在激励信号的负半周，在激励信号的负半周，C Cx x上的电荷经上的电荷经VDVD1 1向向A A点放电，点放电，同时同时C C0 0 上的电荷也经上的电荷也经VDVD4 4向向B B点放电。点放电。即在一个周期内，有电荷即在一个周期内，有电荷Q QBABA从从B B点经点经C Cx x转移到转移到A A点，点，同时有电荷同时有电荷Q QABAB从从A A点经点经C C0 0转移到转移到B B点。点。被测压力使被测压力使C Cx x变化，则变化，则C Cx xCC0 0，结果，结果Q QBABAQQABAB。这就。这就使使A A点和点和B B点有净电荷积累出现，导致两点的直流电点有净电

56、荷积累出现，导致两点的直流电位一个升高位一个升高U U0 0/2/2、另一个降低、另一个降低U U0 0/2/2，反过来又减少，反过来又减少了静电荷的积累。直至达到动平衡：静电荷积累结了静电荷的积累。直至达到动平衡：静电荷积累结束，束，Q QBABAQ QABAB。 设二极管正向导通电压设二极管正向导通电压U Ud d，则有，则有000000222CCCCUUUCUUUQCUUUQxxddABxdBA（三）特点与应用（三）特点与应用l 特点：特点：集成电路工艺可以把集成电路工艺可以把间距和尺寸做得非常小间距和尺寸做得非常小，而且还可把而且还可把测量电路与敏感电容集成测量电路与敏感电容集成在一起

57、。它具有在一起。它具有体积小、输出阻抗小、可批量生产体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许多度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许多优点，而且非常适合于优点，而且非常适合于CMOSCMOS制造技术，因此近年来得制造技术，因此近年来得到很大发展。但这种传感器如果不加适当屏蔽的话，到很大发展。但这种传感器如果不加适当屏蔽的话，易受电磁干扰易受电磁干扰。l 应用：加速度集成电容传感器应用于应用：加速度集成电容传感器应用于机械工具监控、机械工具监控、工业振动监控、应急检测、汽车停车控制、汽车刹车工业振动监控、应急检测、汽车停车控

58、制、汽车刹车控制、设备控制控制、设备控制等，量程为等，量程为40g40g、灵敏度为、灵敏度为40mV40mVs s2 2/m/m、线性为线性为0.5%0.5%、带宽为、带宽为400Hz400Hz。二、容栅式传感器二、容栅式传感器 主要特点：主要特点：工作原理基于变面积型电容传感器。具有工作原理基于变面积型电容传感器。具有电容式传感器的优点，又具有电容式传感器的优点，又具有多极电容多极电容的平均效应，的平均效应，可采用可采用闭环反馈式等测量电路闭环反馈式等测量电路。测量精度提高。测量精度提高（55m m），量程扩展（），量程扩展（1m1m）。）。 应用应用：数显卡尺、测长机等数显量具。数显卡尺、

59、测长机等数显量具。 容栅测量系统：容栅测量系统：栅状电容极板测量电路栅状电容极板测量电路（一）工作原理及转换电路（一）工作原理及转换电路1、开环调幅式测量原理、开环调幅式测量原理l 组成：均匀排列的定栅；一对相同尺寸的组成：均匀排列的定栅；一对相同尺寸的交错对插交错对插动动栅对。栅对。l 工作过程：安装如右图，重叠面积为暗区域，随位移工作过程：安装如右图，重叠面积为暗区域，随位移反向变化的差动电容器反向变化的差动电容器C1和和C2。l 测量电路：差动变压器。测量电路：差动变压器。l 特点：测量精度提高，可实现大位移测量。特点：测量精度提高，可实现大位移测量。2、闭环调幅式测量原理、闭环调幅式测

60、量原理l A A、B B动尺的两组电极片动尺的两组电极片，各由四片小电极片组成；，各由四片小电极片组成；位置位置a a时，一组为小电极片时，一组为小电极片1 14 4，另一组为，另一组为5 58 8。l P-P-定尺上的一片电极片定尺上的一片电极片，与，与A A、B B间构成差动电容器间构成差动电容器C CA A、C CB B。l S S1 1、 S S2 2方波脉冲控制开关方波脉冲控制开关，轮流将参考直流电压，轮流将参考直流电压U U0 0和测量转换系统的直流输出电压和测量转换系统的直流输出电压U Um m分别接入两个小分别接入两个小电极组电极组A A和和B B。 l 若系统保证电容极板若系