電容式傳感器

電容傳感技術是在近幾年來取得很大進展的，它不但被廣泛地用于位移、振動、加速度等機械量的測量，而且逐步擴大應用于差壓、液面、料位、成分含量等方面的測量。下頁返回圖庫4.1電容式傳感器的工作原理及類型

電容器是電子技術的三大類無源元件（電阻、電容和電感）之一，電容式傳感器就是利用電容器的原理，將非電量的變化轉換為電容量的變化，進而實現非電量測量的一種傳感器。一、工作原理由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為下頁上頁返回圖庫式中ε--兩個極板間介質的介電常數；

s--兩個極板相對有效面積；

d--兩個極板間的距離下頁上頁返回

由上式可知，當被測參數使得電容器的介電常數、有效面積、間距發生變化時，電容量隨之變化。如果保持其中兩個參數不變而僅改變另一個參數，就可以將該參數的變化單值地轉換為電容量的變化。二、類型根據上述原理，在應用中電容式傳感器可以有三種基本類型：改變極板間距離的變極距(或稱變間隙)型、改變極板面積的變面積型、改變介質介電常數的變介電常數型。4.1電容式傳感器的工作原理及類型圖庫1．變極距型電容傳感器圖4－1是變極距型電容傳感器的結構原理圖。圖中1為固定極板；2為活動極板，其位移是被測量變化而引起的。當活動極板向上移動一定距離時，由此引起的電容增量為下頁上頁返回4.1電容式傳感器的工作原理及類型圖庫可以看出電容增量與移動距離不是線性關系。但實際應用中若滿足量程遠小于極板間初始距離時，可以認為兩者是線性關系。因此這種類型的電容傳感器一般用來測量微小變化的量，如0.01微米至1毫米的線位移等。在實際應用中，為了改善非線性、提高靈敏度和克服外界因素（如激勵源電壓、環境溫度等）對測量的影響，通常把傳感器做成差動結構形式，當活動極板2向上移動時，上下兩個電容量將會同時發生變化，它們一個電容值隨位移增加，另一個電容值則相應減小。4.1電容式傳感器的工作原理及類型

2.變面積型電容傳感器圖4－2是變面積型電容傳感器的一些結構示意圖。當被測量變化使活動極板產生位移時，就改變了電極間的遮蓋面積，電容量C也就隨之變化。對于電容間遮蓋面積由S變為S’時，則電容增量為此時電容的變化量與面積的變化量成線性關系。因此與變極距型相比，變面積型的測量范圍大，可測較大的線位移或角位移。圖b結構的具體定量關系。4.1電容式傳感器的工作原理及類型

3．變介電常數型電容傳感器圖4－3是變介電常數型電容傳感器的結構原理圖。這種傳感器大多用來測量介電質的厚度（圖a）、位移（圖b）、液位、液量（圖c），還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量（圖d）等。圖a測厚度的定量關系。以圖(c)測液面高度為例，其電容量與被測量的關系為4.2電容傳感器的靈敏度及非線性

這里我們先討論變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設極板間只有一種介質，如圖4-1情況。下頁上頁返回圖庫對單極式電容表達式為：其初始電容值為：當極板距離有一個增量Δd時，則傳感器電容為：

靈敏度k為下頁上頁返回4.2電容傳感器的靈敏度及非線性圖庫

只有比值

d/d0

很小時才可認為是接近線性關系，這就意味著使用這種形式傳感器時，被測量范圍不應太大。

減小d0，靈敏度提高；同時d0小，電容容易擊穿，而且加工精度要求高，非線性誤差增大。為在比較大的范圍內使用此種傳感器，可適當的增大極板間的初始距離d0

，以保證比值

d/d0不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，同時也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。常采用差動式電容傳感器（靈敏度提高一倍）變面積型和變介電常數型(測厚除外)電容傳感器具有很好的線性。但它們的結論都是忽略了邊緣效應得到的。實際上由于邊緣效應仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。下頁上頁返回4.2電容傳感器的靈敏度及非線性圖庫4.2電容傳感器的靈敏度及非線性非線性誤差分析：單極式差動結構作業：要求寫出線性度的概念、線性度理想直線選取的種類（至少三種以上）、分析變極距型電容傳感器的線性度。4.3電容傳感器的特點1.邊緣效應前邊對電容傳感器工作原理、靈敏度、非線性分析均未考慮電容極板間電場的邊緣效應。在平行極板的邊緣部分，電力線是彎曲的，因而產生附加電容，附加電容的存在使得電容傳感器的靈敏度下降、非線性誤差增大，這種現象稱為電容傳感器的邊緣效應。因此要想辦法消除和減小邊緣效應的影響。4.3電容傳感器的特點為了減小邊緣電場對測量的影響，電極應制作得盡量薄（如在絕緣材料上蒸鍍金屬膜）并盡量減小極板之間的間距。以圓平行極板而言，當時，邊緣電場的影響可以忽略。但間距小，電容容易被擊穿并有可能限制測量范圍。因此較好的辦法是加防護環。

圖4-5帶有等位環的平板電容4.3電容傳感器的特點2.絕緣和屏蔽電容傳感器的電容量一般都很小，僅有幾個—幾百個皮法，對于如此小的電容量，若激勵源頻率又不高，則電容傳感器本身的容抗就很高，可達幾兆歐至上百兆歐，可見其絕緣和屏蔽問題十分突出。絕緣問題：對于電容傳感器，幾兆歐的絕緣電阻只能看作是傳感器的一個漏電旁路。這個漏電阻將與傳感器電容構成復數阻抗而通過測量電路影響輸出，而且漏電阻會隨溫度和濕度發生變化，帶來傳感器的零點漂移。4.3電容傳感器的特點

在選擇絕緣材料時，不僅要有低的膨脹系數和幾何尺寸的長期穩定性，還應具有高的絕緣電阻、低的吸濕性和高的表面電阻，如采用玻璃、石英、陶瓷等材料，而不用夾布膠木等一般電氣絕緣材料。此外，采用較高的激勵源頻率（如數十千赫至數兆赫），以降低傳感器的容抗，也相應地降低了對絕緣電阻的要求。4.3電容傳感器的特點屏蔽問題：寄生分布電容使傳感器電容量改變，由于傳感器本身電容量小，并且寄生分布電容又極不穩定，這就導致傳感器特性的不穩定。克服寄生電容影響最常用的辦法：是對傳感器電容及其引出線采取屏蔽措施，即將傳感器電容置于金屬殼體內，然后將金屬殼體接大地，這樣就消除了傳感器電容與殼體外部導體之間不穩定的寄生電容耦合；金屬外殼屏蔽同時起到了消除外界靜電場和交變電磁場的干擾作用。同樣，傳感器電容的引出線必須采用屏蔽線，其屏蔽層應良好接地。4.3電容傳感器的特點但是，盡管采用接地良好的屏蔽線，對電容傳感器仍存在下列兩個問題：①屏蔽線本身電容量大，大的每米可達上百微微法。當屏蔽線較長且其電容與傳感器電容相并聯，使傳感器的電容相對變化大大降低，因而使傳感器的靈敏度大大降低。②電纜本身的電容量由于放置位置和形狀不同而有很大變化，這將使傳感器特性不穩定。4.3電容傳感器的特點

電纜電容的影響是電容傳感器需要解決的關鍵技術問題，集成電路技術的發展，為此問題的解決創造了良好條件。一種解決方法是將測量電路的前級或全部放大環節裝在離傳感器機械部分很近的位置，以盡量縮短屏蔽線的長度，從而減小電纜電容的影響。另一種方法是采用驅動屏蔽技術。4.3電容傳感器的特點3.電容傳感器的特點

優點

缺點下頁上頁返回圖庫4.電容式傳感器的等效電路

圖4-4

優點：①需要的作用能量低②動態響應快③本身發熱的影響小④結構簡單，適應性強，能在惡劣環境條件下工作4.3電容傳感器的特點下頁上頁返回圖庫

缺點：①輸出阻抗高，負載能力差②寄生電容影響大③輸出特性非線性4.3電容傳感器的特點下頁上頁返回圖庫4.4電容式傳感器的轉換電路

電容式傳感器把被測量轉換成電路參數C0，為了滿足實際測量或控制的應用，還需要將電路參數C進一步轉換成電壓、電流、頻率等電量參數。目前這樣的轉換電路種類很多，一般歸結為兩大類型下頁上頁返回圖庫調制型（分為調頻電路和調幅電路）脈沖型(或稱為電容充放電器)4.4電容式傳感器的轉換電路

脈沖型轉換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好、較常用的電路是下頁上頁返回圖庫動畫演示

雙T型充放電網絡脈沖調寬型電路運算放大器式電路這種電路的優點：克服變極距型傳感器的非線性輸出。4.5電容式傳感器的應用舉例

電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，