1、 第4章電容式傳感器4.1 電容式傳感器（原理、類型、特點等。本章重點）4.2 *容柵式傳感器（一般介紹）4.3 電容式傳感器應用（設計要點、應用舉例）本章內容與學時安排：4.1 電容式傳感器 電容式傳感器是把被測量的變化轉換為電容量變化的一類傳感器。實質上是一個具有可變參數的電容器。最常用的是平行板電容傳感器和圓柱形電容傳感器。 可用來測量壓力、力、位移、振動、液位、成份含量等。4.1.1 平行板電容式傳感器工作原理 設兩極板相互覆蓋的有效面積為S（m2），兩極板間的距離為d0（m），極板間介質的介電常數為（F/m）。若忽略板極邊緣的影響，平板電容器的電容量C（F）為: 其中：r-相對介電常

2、數； 0-真空中的介電常數， 0=8.8510-12F/m 可以看出，r，S，d0三個參數都直接影響著電容量C的大小。圖4.1 平板電容器d0S 如果保持上式中兩個參數不變，而使另外一個參數改變，則電容量就將發生變化。故電容式傳感器可分為三種類型： 變極距型（變間隙型）：改變極板距離d0 ； 變面積型：改變極板相對面積S ； 變介電常數型：改變介電常數。1.變極距型（圖4.1）=常量，S=常量，極距d0 可變，此時：C=f(d0)圖中極板1固定不動，稱定極板，極板2為可動極板。當可動極板隨被測量變化而移動時，使兩極板間距離d 0 變化，從而使電容量發生變化。C隨d0變化的函數關系為雙曲線。特性

3、分析 設動極板處于初始位置d0時，電容器初始電容量為C0 當間距減小d時，則電容變化量C為： 則電容相對變化量C/C0為： 當d d0，上式可展開成級數： 忽略上式高次項，有 此式表明，在d d0情況下，電容變化量C與極板間距變化量d 呈近似線性關系。 的大小有關，非線性誤差表達式為 非線性誤差與 如：當極距相對變化量為0.1時，則誤差達10%，誤差較大。此式表明：靈敏度K是極板間距d0的函數，d0越小，靈敏度越高。 但減小d0，同樣會使非線性誤差增大，且受電容器擊穿電壓的限制，制造困難。為此，在實際應用中，為改善非線性，常采用差動式結構。 該類傳感器的靈敏度為： 我們只給出結論：差動式電容傳

4、感器，靈敏度提高了一倍，非線性誤差可以減小一個數量級（詳見教材）。 變極距型應用：電容式傳聲器(a)角位移式 (b)直線位移式圖4.4 變面積型電容式傳感器2.變面積型=常量，d 0=常量，相對面積可變，此時C=f(S)。其結構見下圖。 a)角位移式特性分析 當動極板有一角位移時，兩極板間覆蓋面積S就發生變化，從而導致電容量的變化。 當= 0時， C0=S/ d0 當0時 可見：電容C與角位移呈線性關系。b)直線位移式（圖4.4 b） 當動極板移動x時，覆蓋面積就發生變化，電容量也隨之改變，其值為： 其靈敏度為：可見：增加初始電容C0可提高傳感器的靈敏度。 圖4.5為齒形極板的位移式電容傳感器

5、。采用齒形極板的目的是利用平均效應，減小誤差。 設齒形極板的齒數為n，當動極板發生直線位移x時，其電容為： 該傳感器的靈敏度K變為： 若在兩極間充以其他介質，使介電常數相應變化，則電容量也隨之變化。這種傳感器常用來檢測容器中液面高度、片狀材料的厚度等。 下圖所示傳感器，其電容量等于兩個電容相串聯，即 3.變介電常數型4.1.2 圓柱形電容式傳感器工作原理 1. 同軸圓柱形電容式傳感器 （變面積型） 右圖所示為同軸圓柱形電容式傳感器示意圖。 其電容量為：當兩圓筒相對移動L時，電容變化量C為： 由以上分析可得出結論，同軸圓柱型電容傳感器的靈敏度為常數，即輸出C與輸入L呈理想的線性關系。 當被測液體

6、的液面在同心圓柱形電極間發生變化時，將導致電容的變化。 此時，相當于兩個同軸圓柱形電容C0、C1并聯： 2.變介質圓柱形電容式傳感器（變介電常數型）電容式液位計屬于該類。輸出電容與液面高度呈線性關系。電容式液位傳感器（液位計/料位計）變介質電容式傳感器應用4.1.3 電容式傳感器的特性 1、等效電路 若考慮電容器的損耗和電感效應，電容式傳感器的等效電路如右圖。C為傳感器電容，RP為并聯損耗電阻，RS為引線電阻，L為電容傳感器本身電感和外部引線電感。由此可得到等效阻抗ZC，即： 由于傳感器的并聯電阻Rp很大，串聯電阻RS很小，忽略這兩項，則等效阻抗ZC為： 因此，電容傳感器的等效電容Ce可由下式

7、求得： 式中：f0為等效電路諧振頻率， 電容傳感器的等效電路，特別是高頻時存在串聯諧振頻率，該諧振頻率通常為幾十MHz。故一般的供電頻率要遠離該值，一般為1/21/3，傳感器才能正常工作。 一般當f10MHz時，還可忽略L的影響，并且實際使用時，只要使用條件能保證與傳感器標定時的接線條件，L可不考慮。（1）高阻抗 電容式傳感器的電容量一般很小，其容抗Xc=1/jC，呈現高阻抗。（2）小功率2.高阻抗和小功率 3.靜電引力 在被測量很小時，電容式傳感器兩極板間的靜電場會使動極板產生附加位移，造成測量誤差。4.1.4 轉換電路 用于電容式傳感器的測量電路很多，常見的電路有：普通交流電橋、變壓器電橋

8、、調頻電路，二極管雙T形電路、運算放大器電路、差動脈沖調寬電路。 電容接橋方式很多，但必須接入交流電橋，且電源頻率不能太低。如普通電橋和變壓器電橋。1、調頻電路 圖4.10 調頻測量電路原理框圖 當被測信號為0時，C=0，振蕩器有一個固有頻率f0 當被測信號不為0時，C0，振蕩器頻率有相應變化 2、運算放大器電路 電路原理圖如下圖所示。電容式傳感器跨接在高增益運算放大器的輸入端與輸出端之間。運算放大器的輸入阻抗很高，因此可認為它是一個理想運算放大器，其輸出電壓為二極管雙T型交流電橋是利用電容充放電特性進行工作。3、二極管雙T型交流電橋圖中e是高頻電源，提供幅值為E的對稱方波，VD1、VD2為特

9、性完全相同的兩個理想二極管，固定電阻R1=R2=R，RL為負載電阻，C1、C2為傳感器的兩個差動電容，對于單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個為傳感器電容。 負載RL的兩端電壓為輸出信號，可推出： 該電路的特點： 線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減少了分布電容的影響； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求高度穩定； 輸出阻抗為R，克服了電容傳感器高內阻的缺點； 適用于單組式和差動式電容傳感器。4、差動脈沖調寬電路* 差動脈沖調寬電路（脈沖寬度調制電路）原理圖如下。差動脈沖調寬電路優點：采用直流電源，電壓穩定度高； 對元件無線性要求；不存在穩頻，不需要相敏檢波與解調等；低

10、通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出波形的純度要求也不高。4.2 容柵式傳感器*4.2.1 容柵式傳感器的類型與工作原理一、類型：長容柵、圓容柵 容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎上發展起來的一種新型傳感器。可測大位移（可達1m），具有精度高（可達5m），結構簡單，能耗低等優點。二、工作原理1、長容柵傳感器2、圓容柵傳感器其工作原理與長容柵相似。 長容柵傳感器也稱線位移容柵傳感器。由定尺和動尺組成。工作原理參見下圖。4.2.2 容柵式傳感器的特點與抗干擾措施一、優點：1、耗能低。適用于以電池供電的測量場所。2、動態響應快。3、能在高溫，惡劣環境下工作。二、缺點： 易受引線、接地、外殼等外

11、界干擾，對后續放大器也要求很高。4.2.3 容柵式傳感器的信號處理方式（略）1、調幅式信號處理 2、調相式信號處理三、提高抗干擾能力的措施1、提高電源頻率。 2、采用高輸入阻抗運放。3、采用帶通或選頻放大技術。 4、采用屏蔽。5、提高初始電容值。6、減小極板厚度，增大極板寬度。應遵循的幾項原則：（1）結構設計時，應盡量提高傳感器的初始電容值。 （2）防水防塵。嚴防潮氣、塵土和蒸汽。 （3）電容極板的絕緣與固定。 （4）合理選材。減小傳感器的零點漂移。4.3 電容式傳感器的應用 4.3.1 電容式傳感器的設計及應用要點 （5）合理選擇電源電壓頻率。 電源電壓頻率的選擇應不低于5001000Hz。

12、 （6）注意傳感器的容許工作電壓。 （7）考慮連接電纜對傳感器特性的影響。 如采用超小型大規模集成電路；采用“驅 動電纜技術等”。（8）采用屏蔽接地技術。4.3.2 電容式傳感器的應用舉例1、電容式測微儀 高靈敏度電容式測微儀采用非接觸方式精確測量微位移和振動振幅。在最大量程為（1005）m時，最小檢測量為0.01m。 右圖為電容式測微儀測頭原理圖。圖4.17 電容式測微儀原理圖2、電容式壓力傳感器圖4.20（a）為單只變極距型電容式傳感器原理圖。用于測量氣體或液體壓力。圖4.20（b）為一種小型差動電容式壓力傳感器。可用于微小壓力。產品.陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產生 位移。 壓力變送器 右圖為電容式加速度傳感器的結構示意圖。質量塊4由