电容传感器课件

第5章电容式传感器测量电路1.2第5章电容式传感器基本工作原理、结构及特性5.15.2误差分析5.3电容式传感器的应用5.4电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。第5章电容式传感器第5章电容式传感器当传感器的ε和S为常数，初始极距为d

，当忽略边缘效应时，可知其初始电容量C0为一、变间距型电容传感器

变极距型电容传感器原理图当可动极板向下移动Δd

时，电容量变为

电容的变化量为

第5章电容式传感器负号表示：电容的变化是随着两极板间距的增大而减小的。电容的相对变化量灵敏度变间距型电容传感器的电容C随间距的变化是非线性的。如果满足条件(Δd/d)<<1，则可按级数展开成

第5章电容式传感器误差允许范围内，略去高次(非线性)项，则

近似呈线性关系灵敏度第5章电容式传感器

①变极距型电容传感器只有在|Δd/d|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；②欲提高灵敏度，应减小间隙d，但d的减小，一是将增大非线性，二是也会受到电容器击穿电压的影响；③为改善非线性，可以采用差动式。动极板置于两定极板之间，初始位置时，d1＝d2＝d，两边初始电容相等。当动板向上移△d

时，两边极距变化为:第5章电容式传感器按级数展开：电容总的变化量为：

灵敏度提高一倍，非线性误差减小。电容值相对变化量为忽略高次项，则此电容传感器的线性关系近似为：灵敏度其相对非线性误差第5章电容式传感器①增大介电常数、极板边长b或减小极板间距d，都可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。

第5章电容式传感器

变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。为了提高灵敏度和克服极板的边缘效应，改善非线性。可采用如图所示的差动式变面积型传感器。该传感器有三个极板，上面的为可动电极，也是公共电极，它与两个固定电极分别电容

C1和C2，当可动电极向右（或向左）移动时，电容C1减小（或增加），而电容C2增加（或减小），差动输出，提高了灵敏度，非线性得到改善。

被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的介质高度发生变化，导致电容的改变。 ε1－液体介质介电常数；

ε0－空气中介电常数（F/m）；

h－电极板总长度（m）；

r－内电极板外径（m）；

R－外电极板内径（m）；

x－液面高度（m）。

可见，输出电容C与液面高度x

成线性关系。液面高度置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并与储存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的εr=2.1。试计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内的灵敏度。解：当被测液位为零时，传感器电容最小，即有同理，当被测液位高度最大，即h=H=1.2m时传感器电容最大，即有储存罐的容积为故传感器的灵敏度为

有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。

(一)交流电桥测量电路一、调幅测量电路

电桥初始处于平衡状态，且输出端开路，有当被测量变化时，将引起阻抗Z1变化ΔZ，于是电桥失去平衡，输出电压为将电桥平衡条件Z1Z4=Z2Z3代入，设桥臂比Z1/Z2=n，并考虑到ΔZ《Z，得—电桥的桥臂系数—传感器阻抗相对变化率电桥电路为了桥路平衡,四个桥臂中必须接入两个电容，另外两个桥臂接入其他类阻抗元件，如：两个电阻、两个电感、或两个电容。

C为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi→∞)，因此可视作理想运算放大器。C0为一固定电容(二)运算放大器测量电路整理得如果传感器的电容式由平行板构成，则二、调频测量电路

CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器高频振荡回路的振荡频率传感器起始电容引线分布电容振荡回路固定电容当被测量没有变化时，当被测量改变时，振荡器频率随之有个相应的改变量Δf，称为频偏。整理得可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率f也随之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。

在测量电路中，伴随频率的改变，振荡器输出幅值往往也会改变，为克服后者，在振荡器之后要加限幅环节。设R1＝R2＝R，则

说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。对于差动电容改变△d

→(C1≠C2)对于差动电容改变极板面积说明：差动脉宽调制电路，无论是改变平板电容器的极板面积还是

极板间距，电容器变化量与输出量成线性关系。电容式传感器可见：1）差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性；

2）该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；

3）对元件没有线性要求；

4）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。以上这些特点都是其他电容测量线路所无法比拟的。第三节电容式传感器的误差分析一、等效电路

图中C为传感器电容，

Rp为损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；

Rs为引线、极板、金属支座等引起的的串联损耗电阻；

Ls为电流回路的总电感；

Cp为寄生电容，分析可视为含于传感器电容C中。在电容器的各种损耗、电场边缘效应、寄生与分布电容等因素不可忽略时，其等效阻抗由于传感器并联电阻Rp一般都很大，

Rs又相对较小，因而简化后可得等效电容则电容的实际相对变化量为两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。电容式传感器二、温度的影响

环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：温度对结构尺寸的影响温度对介质（介电常数）的影响电容式传感器1、温度对结构尺寸的影响

电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙发生较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。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，采用在陶瓷或石英上喷涂一层金属作为电极，效果更好。电容式传感器2、温度对介电常数的影响

温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数的温度系数近似为零；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温度系数可达0.07％/℃；若环境温度变化±50℃，则将带来7％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。电容式传感器三、边缘效应电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘部分的分布不均匀适当减小极间距，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。+-电容式传感器四、寄生电容的影响

电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，而其引线电缆电容(l～2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。消除寄生与分布电容的影响，一是可从改善传感器结构和尺寸下手，即增加初始电容值，使寄生与分布电容对传感器的影响减小。二是使用各种屏蔽技术。第四节电容式传感器的应用差动电容式压力传感器电容式传感器电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图电容式传感器电容式加速度传感器

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。加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。电容式传感器电容式传感器汽车气囊对驾驶员的保护作用

电容测厚传感器是用来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。电容式传感器电容式测厚传感器电容式液位计

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间电容变大。

聚四氟乙烯外套电容式传感器电容式液位限位传感器

液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。电容式传感器液位限位传感器的设定

智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮电容式传感器电容式接近开关

被检测物体可以是导电体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。

电容式传感器电容式接近开关在物位测量控制中的使用全密封防水