第5章 电容式传感器

传感器技术与应用2第5章电容式传感器5.1电容式传感器概述5.2电容式传感器工作原理与类型5.3测量转换电路第5章知识目标（1）掌握常见类型电容式传感器的工作原理；（2）掌握电容式传感器常用测量转换电路的结构构成与工作原理；（3）了解电容式传感器的典型应用案例。3第5章能力目标（1）掌握常见类型电容式传感器的工作特性；（2）能够根据实际工程需要选择合适类型的电容式传感器；（3）能够根据实际工程需要选择合适类型的测量转换电路；（4）对电容式传感器的工作特性有深入理解，能够结合实际工程案例进行特性分析。455.1电容式传感器概述电容式传感器属于阻抗式结构型传感器，是一种将非电量的变化转换为电容量变化的传感器。电容式传感器的核心构成是敏感元件和转换元件，通常为一体式。

具有结构简单，灵敏度高，动态响应好，温度稳定性好等优点，可以实现接触式测量，也可以实现非接触式测量。6（a）非接触式液位测量

（b）MEMS型加速度测量

（c）接近开关电容式传感器应用案例7测量液位8测量压力9测量厚度10测量转速11智能终端触摸屏125.2电容式传感器工作原理与类型5.2.1电容式传感器工作原理电容式传感器的电容量真空介电常数介质材料的相对介电常数13

在实际工程应用中，一般保持三个参量中的两个不发生改变，只改变其中一个参量的方法来构建电容式传感器。电容式传感器三种基本类型：变极距型、变面积型、变介电常数型145.2.2变极距型电容式传感器变间隙型电容式传感器通过拉力、位移等被测量的变化，改变了个电极板的间距，从而改变了电容量。初始状态时对应的电容量表达式：初始状态的极距15设在被测量的影响下，电容式传感器的动极板与定极板之间的间距增大了△d16变极距型电容式传感器的灵敏度解决措施之一：两电极极板间可选用介电常数高的云母等做介质云母17变极距型电容传感器电容量与极距特性关系曲线图：18在实际工程应用中，为了提高电容式传感器测量灵敏度，一般采用差动式结构：采用差动式结构的变极距型电容式传感器灵敏度可以提高1倍，并且能够降低测量数据的非线性误差。195.2.3变面积型电容式传感器

变面积型电容式传感器通过力、位移、角度等被测量的变化，改变两电极板的有效覆盖面积，从而改变电容量。（1）平板状变面积型电容式传感器产生相对位移量后对应的电容量当前两个电极板之间有效的覆盖面积结论：变面积型的电容式传感器的电容相对变化量与位移的变化量成正比关系。20（2）圆筒状变面积型电容式传感器

随着被测位移等参量的变化，动极板与定极板发生轴向相对运动，两者之间的有效覆盖面积发生改变，从而改变了电容量。圆筒状变面积型电容式传感器的初始状态电容量的求解需借助高斯定理推导，推导结果：结论：圆筒状变面积型电容式传感器的电容变化量与轴向位移量成线性关系。21（3）扇面状变面积型电容式传感器扇面状变面积型电容式传感器一般用于实现角度的测量。两电极板初始状态时扇面对应的有效覆盖面积：当动极板相对定极板转过一定角度θ，两电极板有效覆盖面积发生了改变，对应的面积表达式：结论：扇面状变面积型电容式传感器的电容变化量与角位移成正比关系。225.2.4变介电常数型电容式传感器

变介电常数型电容式传感器是通过拉力、位移等被测量的变化，两电极板间介质层填充的介质材料发生改变，对应的介电常数发生变化，或者随着温度、湿度、材料厚度等被测量的变化，介质材料的介电常数也随之发生变化。23（1）平板状变介电常数型电容式传感器电容式传感器总的电容量：结论：变介电常数型电容式传感器的电容变化量与介质材料的位移成正比关系。24（2）圆筒状变介电常数型电容式传感器在没有充入液体前，电容器的初始电容量表达式：当充入液体后，对应液面高度为h时，此时传感器相当于由两个不同介质填充的电容器的并联，总的电容量等于两部分电容量之和：结论：圆筒状变介质型电容式传感器测量液位，电容量与液位高度成正比例关系。255.3测量转换电路电容式传感器的测量转换电路类型非常多，电路工作原理与工作特性差别大。常见的测量转换电路有：交流电桥、谐振电路、运算法电路、差动脉宽调制电路、二极管环形检测电路等。265.3.1交流电桥测量电路电容式传感器的初始电容量是对应输入量为0时的电容值，此时：交流电桥处于平衡状态，输出电压相量当被测量发生变化，电容式传感器的电容量随之发生变化，阻抗Z1发生变化：交流电桥失去平衡，输出电压相量表达式:结论：交流电桥测量转换电路的作用是将电容量的变化转换成电压量的变化。27思考：根据交流单臂电桥分析推导思路，分析推导直流双臂电桥的输出电压相量函数式。285.3.2谐振调频测量转换电路将电容式传感器接入高频振荡器—LC并联谐振电路当电容式传感器的输入量为0时——初始状态，振荡电路固有振荡频率初始状态电容量当被测量发生变化时，电容式传感器的电容量产生了变化量，则振荡电路的振荡频率发生改变，表达式为：结论：谐振调频测量转换电路是将电容量的变化转换成频率量的变化。

295.3.3运算法测量转换电路电容式传感器作为集成运算放大器构成的反相比例运算电路的负反馈元件。结论：运算法测量转换电路将电容量的变化转换为电压量的变化。305.3.4差动脉宽调制测量转换电路单限电压比较器低电平触发的RS双稳态触发器电容充、放电回路差动式电容式传感器31+-+-RS0UMUM>01UNUN<00UAB101UREF差动脉宽调制测量转换电路工作原理解析32（a）Cx1=Cx2

（b）Cx1>Cx2结论：差动脉宽调制测量转换电路将被测量的变化转换为脉冲波形占空比的变化。335.3.5二极管环形电桥测量转换电路方波脉冲激励源差动式电容式传感器当脉冲源由低电平“0”跳变为高电平“1”时，二极管D1、D4正向导通，D2