第五章电容式

第五章电容式第1页，共39页，2023年，2月20日，星期三电容传感器的特点1．电容式传感器的优点

（1）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，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其他因素(因本身发热极小)影响甚微。第2页，共39页，2023年，2月20日，星期三（2）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。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期三（3）动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约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。第4页，共39页，2023年，2月20日，星期三（4）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。第5页，共39页，2023年，2月20日，星期三

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。

第6页，共39页，2023年，2月20日，星期三2.电容式传感器的缺点

(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。第7页，共39页，2023年，2月20日，星期三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。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期三(2)寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，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。“寄生电容”降低了传感器的灵敏度，且是随机变化的，使传感器的工作不稳定，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、接法有要求第9页，共39页，2023年，2月20日，星期三(3)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加，使输出特性非线性。

第10页，共39页，2023年，2月20日，星期三电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器第11页，共39页，2023年，2月20日，星期三5.1工作原理与结构形式（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；d—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。d、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、d或S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；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

Sdε第12页，共39页，2023年，2月20日，星期三（二）

电容式传感器的类型

三种基本类型：

1）变极距(变间隙)(d)型第13页，共39页，2023年，2月20日，星期三2）变面积型(S)型

角位移变面积型第14页，共39页，2023年，2月20日，星期三板状线位移变面积型第15页，共39页，2023年，2月20日，星期三同心圆筒形线位移电容式传感器第16页，共39页，2023年，2月20日，星期三3）变介电常数(εr)型(a)单组式平板形厚度传感器(a)厚度传感器dx（b）单组式平板形线位移传感器ε1CBld2d1ε2xCA(b)线位移传感器第17页，共39页，2023年，2月20日，星期三(c)液位传感器2r22r1hhx(c)圆筒式液位传感器

第18页，共39页，2023年，2月20日，星期三1、变极距型电容传感器

图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，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化，其电容变化量ΔC为d2变极距型电容传感器1

该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。CC0C-特性曲线C0—极距为时的初始电容量。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期三差动式变间隙型电容传感器动极板上移：初始位置时，动极板定极板定极板C1

δ1C2

δ2第20页，共39页，2023年，2月20日，星期三第21页，共39页，2023年，2月20日，星期三提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：非线性误差为：灵敏度：第22页，共39页，2023年，2月20日，星期三2、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，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C在忽略边缘效应时为l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1—圆筒内半径和内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。

第23页，共39页，2023年，2月20日，星期三3、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厚度、液位，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量介质材料的温度、湿度等。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厚度的关系为

dx厚度传感器C1C2C3C第24页，共39页，2023年，2月20日，星期三若忽略边缘效应，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

C1C2C3CC4a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。

l平板形lx第25页，共39页，2023年，2月20日，星期三若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为

液位传感器hC1CC2可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

2r12r2hx第26页，共39页，2023年，2月20日，星期三（三）

电容式传感器的信号调节电路1、运算放大器式电路

其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图将Cx=代入上式得-A～uoCCxu∑运算放大器式电路原理图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A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。第27页，共39页，2023年，2月20日，星期三2.电桥电路电容传感器构成的交流电桥UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU特点：①高频交流正弦波供电；②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；③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自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。第28页，共39页，2023年，2月20日，星期三3、二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。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(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2第29页，共39页，2023年，2月20日，星期三电路特点：①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；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。第30页，共39页，2023年，2月20日，星期三4、差动脉冲调宽电路又称差动脉宽(脉冲宽度)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。右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2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，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G第31页，共39页，2023年，2月20日，星期三5、调频电路（见99页）

6、谐振电路

（见100页）

第32页，共39页，2023年，2月20日，星期三（四）

影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施1）温度对结构尺寸的影响2）温度对介质介电常数的影响3）漏电阻的影响4）边缘效应与寄生参量的影响5）增加原始电容值，减小寄生电容和漏电的影响第33页，共39页，2023年，2月20日，星期三（五

）电容式传感器的应用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。特点是体积小、性能优越、使用方便。第34页，共39页，2023年，2月20日，星期三电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容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，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。第35页，共39页，2023年，2月20日，星期三湿度测量发生湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高