電容傳感器

電容傳感器是一種將被測物理量如尺寸、壓力等的變化轉換為電容量變化的傳感器。它具有靈敏度高、動態響應快、分辨率高、結構簡單、易于實現非接觸測量和能在惡劣環境下工作等優點。盡管它的應用已有幾十年歷史，但近些年來，隨著微電子技術，特別是集成電路的出現，材料、工藝和結構、設計上的改進，過去影響它廣泛應用的缺點如存在分布電容、外部干擾和非線性等不斷得到克服，使它在自動檢測和自動控制中重新獲得廣泛的應用。10.1工作原理和分類

10.1.1工作原理由物理學原理可知，兩平行極板組成的電容器，如忽略邊緣效應，其電容量為

C=(F)（10.1.1）下一頁

10.1工作原理和分類

10.1.2電容傳感器的分類和特性一、變極距型電容傳感器圖10.1.1是變極距型平板電容傳感器的結構原理圖。如圖10.1.1（a）所示，當動極板在被測量作用下發生位移，并使間隙減少Δd時，此時電容C將為

C=εA/(d-Δd)

（10.1.2）

上式表明C=f（d）特性如圖10.1.1（b）所示是雙曲函數。如果電容傳感器輸出為容抗xc=1/ωC，那么xc與初始容抗x0=1/ωC0之間呈線性關系。二、

變面積型1角位移式當動極板有一角位移θ時，兩極板覆蓋面積A就改變，從而改變了兩極板之間的電容量。這種型式的電容傳感器電容C與角位移θ呈線性關系。

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(a)結構圖；(b)特性曲線圖

1—定極板；2—動極板

10.1工作原理和分類

2直線位移式當動極板移動Δx后，兩極板之間的電容為

C=εb(a

-Δx)/d

電容變化量為

ΔC=C-C0=-εbΔx/d（10.1.6）傳感器靈敏度為

K=ΔC/Δx=-εb/d（10.1.7）由此可見，直線位移式傳感器的特性是線性的，且增加b或減少d均可提高傳感器的靈敏度。但增加b值會受結構的限制，減小d值會受電場強度的限制。

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3圓筒式圓筒式變面積型電容傳感器結構原理如圖10.1.2（c）所示。由物理學知道，圓柱形電容器的電容為

C0=2πεl/ln(R/r)（10.1.8）式中，l

——外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；

R,r

——外圓筒的內半徑與內圓柱的外半徑。對于單邊圓柱形線位移式（如圖10.1.2（c）示），當忽略邊緣效應，動極板位移Δl時，電容變化量為

ΔC=C0Δl/l（10.1.9）顯然也是呈線性關系。近些年來，在變面積型電容傳感器的基礎上發展出一種新型電容傳感器，稱為容柵傳感器，它可分為長容柵和圓容柵兩類，如圖10.1.3所示，在圖10.1.3（a）、圖10.1.3（b）中，1是固定容柵，2是可動容柵，在它們的面上分別通過印刷（或光刻）的方法，制成一系列均勻分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）柵極。

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上一頁圖10.1.2

變面積型電容傳感器結構原理圖

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（a）角位移式；（b）直線位移式；（c）圓筒式

1—定極板；2—動極板

圖10.1.3容柵傳感器結構原理圖返回（a）長容柵；（b）圓容柵；（c）柱狀圓容柵；（d）特性曲線1—固定容柵；2—可動容柵

10.1工作原理和分類

容柵傳感器除了具有一般電容傳感器的優點外，還因是多極電容及其平均效應，因此分辨率更高，測量精度高，對極板刻制精度和安裝等要求不高，量程大，現已應用于數顯量具、雷達測角系統等重要場合一種很有發展前途的傳感器。三、變介電常數型變介電常數型電容傳感器結構原理如圖10.1.4所示，這種傳感器大多用來測量電介質的厚度、位移、液位等，還可根據電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、容量等。（1）對圖10.1.4（a）所示測厚型，電容為

（10.1.12）上一頁下一頁圖10.1.4變介電常數型電容傳感器結構原理圖

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（a）測厚型；（b）位移型；（c）圓筒位移型

1—定極板；2—被測物

10.1工作原理和分類

（2）對圖10.1.4（b）所示的位移型（10.1.13）（3）對圖10.1.4（c）所示圓筒位移型

（10.1.14）

四、差動式電容傳感器在實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度，改善非線性和減小外界因素（如電源電壓、環境溫度等）的影響，電容傳感器也常做成差動型，圖10.1.5所示為幾種差動式電容傳感器結構原理圖。

上一頁返回圖10.1.5差動式電容傳感器

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（a）變極距型；（b）變面積型

1—定極板；2—動極板

10.2

電容傳感器的測量電路10.2.1橋式電路

圖10.2.1所示為橋式測量電路，圖10.2.1（a）為單臂接法的電橋。圖10.2.1（b）是接有差動電容傳感器的電橋，其空載輸出電壓為

U0=-UΔC/C0（10.2.1）式中，U——工作電壓；

C0

——電容傳感器平衡狀態時初始電容；

ΔC

——電容傳感器的電容變化值。10.2.2緊耦合電橋電路圖10.2.2為緊耦合電橋電路的原理圖。該電路的特點是將兩個緊密耦合線圈作為兩橋臂，差動電容器的兩個電容作為另兩橋臂。在高負載阻抗(ZL→∞)情況下，它的輸出為

（10.2.2）

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電容傳感器的橋式測量電

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（a）單臂式；（b）差動橋圖10.2.2

緊耦合電橋測量電路

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（a）電路原理圖；（b）電橋靈敏度曲線10.2

電容傳感器的測量電路10.2.3差動脈沖調寬電路

它又稱為脈沖調制電路，如圖10.2.3所示。輸出電壓U0AB經低通濾后，即可得到一個直流輸出電壓U0，在理想情況下，U0AB平均值為

（10.2.3）當電阻R1=R2=R時，（10.2.4）

從上式可知，輸出電壓的大小正比于C1與C2的差值，輸出電壓的極性與C1、C2大小有關。

上一頁下一頁10.2

電容傳感器的測量電路10.2.4諧振電路諧振轉換電路如圖10.2.5（a）所示。高頻電源經變壓器供給繞組電感L，并與可調電容C、被測電容Cx構成諧振電路。諧振回路的輸出電壓U經放大器放大后由儀表讀出，也可轉換成數字輸出。改變調諧電容C，使振蕩回路調節在和振蕩頻率ωr相接近的頻率上，并讓它的電壓為諧振電壓Um的一半，在圖10.2.5（b）所示特性曲線的N點，以保證電容量變化ΔC引起輸出電壓變化在線性范圍內，實際上也保證了被測物理量與輸出的單值關系。該電路的優點是有很高的靈敏度。高頻電源的頻率ωr可按諧振回路中已知參量C、L、C、x來確定。返回上一頁圖10.2.3差動脈寬調制電路

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圖10.2.5電容傳感器的諧振電路

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（a）電路原理圖；（b）特性曲線10.3電容傳感器的應用

電容傳感器可用來測量直線和角位移、振動振幅（至0.05μm），尤其適合測量高頻振動振幅、加速度等機械量，還可用來測量壓力，壓力差，液體成分含量（如油、糧食中的含水量），非金屬材料的涂層、油膜的厚度，測量電介質的溫度、密度和厚度等。在自動檢測和控制系統中還常用來作為位置信號發生器，應用十分普遍。10.3.1電容式差壓傳感器

圖10.3.1是電容式差壓傳感器結構原理圖。這種傳感器結構簡單、靈敏度高，響應速度快（約100ms），能測微小差壓（0～0.75Pa）。結構上它由兩個玻璃圓盤和一個金屬膜片（不銹鋼）組成。

上一頁下一頁圖10.3.1電容式差壓傳感器結構示意圖及轉換電路返回(a)結構原理圖；(b)測量轉換電路原理圖

1—玻璃盤；2—鍍金層；3—金屬膜片；

10.3電容傳感器的應用10.3.2電容式加速度傳感器電容式加速度計結構原理如圖10.3.3所示。質量塊由兩片片簧支撐于充滿空氣的殼體內，彈簧較硬，使系統固有頻率較高，因此構成慣性加速度的工作方式。由于采用空氣阻尼，氣體黏度的溫度系數比液體小得多，因此這種加速度計精度較高，頻率響應范圍寬，量程大。

10.3.3電容式位移傳感器

圖10.3.4是一種單電極的電容式振動位移傳感器。它的平面測量端是電容的一極板，通過電