电容式传感器传感器原理及应用课件

第4章电容式传感器

CapacitiveSensors免费免费!!!传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors绪论电容式传感器是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。特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。4.1电容式传感器的工作原理和特性4.1.1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器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。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+

S

r d

_

4.1.2电容传感器特性分析1.变极距型电容传感器设初始电容为：当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：电容的相对变化为：当时，将上式按泰勒级数展开，得：可见，电容C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：电容传感器的静态灵敏度为灵敏度随极板间距的减小而增大如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差：由以上分析可知：变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。

Cdd0ΔdΔdΔC1ΔC2{{ΔC1>ΔC2如图，极距变化相同值±△d所对应的电容变化量不同非线性随极板间距的减小而增大略去非线性高次项，得：变极距差动电容式传感器的灵敏度K′为

变极距差动电容传感器的非线性误差′L近似为

可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效的改善由于环境影响所造成的误差。

2.变面积的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，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。其电容计算式为：

当重叠长度x变化时，电容量变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。（2）用于角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移

时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。

当转动角时，

当

=0时，灵敏度：角位移式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度K为常数。3.变介质型电容式传感器

电容式液位传感器结构原理图与等效电路电容式液位传感器图示同轴圆柱形电容器的初始电容为: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。设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的电容，则：由于C1和C2为并联，所以总电容为:（1)若改变固体介质的相对介电常数，则有电容量的相对变化为:其中，

，为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。而增大；（2）若传感器保持

r不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时其中，，为灵敏度因子和非线性因子。

（3）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为，则，,即若可见，与

r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。

（3）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，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。

(4)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，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。(5)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，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0.001µm甚至更小的位移。

(1)输出阻抗高，负载能力差电容式传感器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106～108Ω。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MΩ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.电容式传感器的缺点4.2.2电容传感器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.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2.提高结构设计中的绝缘性能

减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的绝缘性能,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、降低温度系数，但成本较高。

（1）增加传感器原始电容值

采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2~0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，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、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在10-3~103pF范围内，相对值变化在10-6~1范围内。

（1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术（5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法

（2）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

（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)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，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10m之远也不影响仪器的性能，如图。

（3）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，寄生电容大为减小而且易固定不变，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。

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“驱动电缆”技术原理图

当电容式传感器的初始电容值很大(几百µF)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。

（5）整体屏蔽法

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和防止外界的干扰。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，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂Z3和Z4中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容CP1和CP2分别与Z3和Z4相并联。如果Z3和Z4比CP1和CP2的容抗小得多，则寄生电容CP1和CP2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-A

最易满足上述要求的是变压器电桥，这时Z3和Z4是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z3和Z4的电流大小基本相等但方向相反。因Z3和Z4在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零，Z3和Z4仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容Cpl和Cp2对Z3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电容传感器两电容C1和C2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1pF的电容。电容式传感器的原始电容值较大（几百pF）时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达10m时，传感器也能正常工作。4．防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)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。

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。增加原始电容量，降低容抗。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。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。采用差动式电容传感器，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。

防止和减小干扰的措施归纳为：4.3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。图中，L为包括引线电缆的电感和电容式传感器本身的电感；r包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻；Rg是极间等效漏电阻，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；C0为传感器本身的电容；Cp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。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，故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为式中，C=CP+C0则等效电容为实际电容相对变化为因此实际的灵敏度为可见电容传感器的等效灵敏度Ke与传感器的固有电感L有关，且随ω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。4.4电容式传感器的测量电路4.4.1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。调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01μm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。当电容发生变化时，频率变为当被测信号为零时,△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，即:4.4.2交流电桥测量电路变压器电桥具有使用元件最少，桥路内阻最小的特点。电桥输出电压为:

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USC大小与位移成线性关系，其正负极性反映位移的方向。CxC0Ixui

aI0b

-Ku0～4.4.3运算放大器式测量电路4.4.4二极管双T型交流电桥当UE为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电;在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。UE在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成一阶电路

当供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波，可直接得到流过电容C2的电流iC2：正半周电流iC2的平均值IC2可以写成：同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为故在负载RL上产生的电压为：当RL已知时，为常数，设为K，则：式中，f――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，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。4.4.5差动脉冲调宽电路如图,C1、C2为传感器的差动电容，当电源接通时，设双稳态触发器的A端为高电位，B端为低电位，因此A点通过R1对Cl充电，直至F点上的电位等于参考电压Ur时，比较器A1产生一个脉冲，触发双稳态触发器翻转，A点成低电位，B点成高电位。此时F点电位经二极管VD1迅速放电至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电。当G点的电位充至Ur时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A点成高电位，B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C1、C2调制的脉冲方波。

C1＝C2时

C1>C2时

当电阻R1=R1=R时，则为：

uAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压U0

式中：如果是变间隙式，则：

因为：d1=d0+Δd;d2=d0-Δd;d1+d2=d0；则：4.5电容式传感器的应用1．电容式接近开关

齐平式非齐平式电容式接近开关外形非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。电容式接近开关在液位测量控制中的使用

电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示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决定工作台何时换向。当“A”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；当“B”

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，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。2.电容式油量表

当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx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RP的滑动臂移动。当RP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（

x处）。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的电容变大。聚四氟乙烯外套3.电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器内部结构

1—高压侧进气口

2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔

5—柔性不锈钢波纹隔离膜片

6—导压硅油

7—

凹形玻璃圆片

8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔各种电容式差压变送器外形

4.电容式转速传感器设齿数为Z，由计数器得到的频率为f，则转速n（r/min）为:5.电容式位移传感器电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。

6.湿敏电容

利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。

湿敏电容外形吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形

4.6容栅式传感器

容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度。容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。

1.直线形容栅传感器（长容栅）长容栅结构原理图

式中，n——

动尺栅极片数；a，b——栅极片长度和宽度。

容栅传感器的最小电容量理论上为零，实际上为固定电容C0，为容栅固有电容。当动尺沿x方向平行于定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖长度a将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图所示，经电路处理后，则可测得线位移值。2.圆形容栅传感器（片状圆容栅）最大电容为：式中r1，r2

——圆盘上栅极片内半径和外半径；α——每条栅极片对应的圆心角。3.筒形容栅传感器（柱状圆容栅）筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。柱状圆容栅的结构原理图如图所示。

随着微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展，各种基于MEMS技