1、傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學資源庫 第1頁/共5頁 電容式傳感器的設計要點 一、電容式傳感器的特點 1 1 優點 （1 1）溫度穩定性好 電容傳感器的電容值，對電極而言， 與電極的材料無關， 僅取決于電極的尺寸；對介質 而言，如果采用空氣介質，其介質的能量損耗很小。因此，電容自身的發熱極小。選取基板 材料時，只需要從基板強度、溫度系數和結構尺寸上考慮，而其它因素對電容值影響很小。 而電阻式傳感器有電阻元件， 故供電后發量熱量大； 電感式傳感器存在銅損耗、 磁滯和 渦流損耗等，引起電感發熱。這些發熱都會使傳感器產生溫度漂移，也叫溫漂或零漂， 故溫 度穩定性不好。 （2 2） 結構

2、簡單、適應性強 從結構上看，電容結構為：兩個金屬極板，兩根電極引線，極板間沖絕緣介質，絕緣介 質可以是空氣。故結構非常簡單，易于制造。 電容式傳感器能夠在高溫、低溫、強輻射及強磁場等惡劣環境中工作， 故適應能量很強。 尤其可以在環境溫差大、高壓力和高沖擊力的環境中，都能正常工作。它能測量高壓和低壓 差，能對帶磁工件進行測量。電容式傳感器可以尺寸可以做的很小， 以便能在有特殊要求的 環境中測量。 （3 3） 動態響應好 電容式傳感器的固有頻率很高， 故其動態響應時間很短。其介質損耗小，可以用較高頻 率給予供電。因此電容式傳感器的系統工作頻率高。 電容式傳感器可用于測量高速變化的參數，比如測量振動

3、、瞬時壓力等。 （4 4） 可實現非接觸測量，具有平均效應 當被測工件不允許接觸式測量時，可以采用電容式傳感器對其進行測量。 當采用非接觸測量時， 由于電容極板有一定的面積， 是面非接觸，故電容式傳感器具有 平均效應，它的測量是對被測面到極板的平均距離的一個結果。 這樣，可以減小工件表面粗 糙度對測量的影響。 2 2 缺點 （1 1） 輸出阻抗高，帶負載能力差 電容式傳感器的容量受到電極幾何尺寸等的限制，不易做大，一般為幾十 JF到幾百 JF。因此，電容式傳感器的輸出阻抗高，帶負載能量差。這種電路易受外接干擾，使電路 不穩定，甚至無法正常工作。 這里和前面講的電容不易受環境影響是沒有矛盾的，

4、前面將的 電容值C不易受環境影響，而這里講的是容抗 Xc易受環境影響。故不矛盾。 c 因此，必須對傳感器電路采取屏蔽措施，但這會給設計、制造和使用帶來諸多不便。 因為電容器的容抗大，故要求傳感器絕緣部分的絕緣電阻值極高， 一般在幾十兆歐以上， 否則，絕緣部分就將作為電容的旁路電阻進行分流，影響儀器性能。為此，要特別注意傳感 器周圍的溫度、濕度和清潔度，這些都會影響傳感器的絕緣電阻。 若采用高頻供電，可降低傳感器的輸出阻抗， 但是，高頻電路的信號放大、 傳輸都遠比 低頻電路復雜，且寄生電容影響對電路影響很大，不易保證電路工作的穩定性。 （2 2） 寄生電容影響大 電容器上的寄生電容是指， 連接電

5、容式傳感器和電子線路的引線上存在的引線電容 （電 傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學資源庫 第2頁/共5頁 纜電容，1 1- -2m2m 導線就可達 800 800 pF ）、電子線路的雜散電容和傳感器內極板與其周圍導體構 成的電容等。寄生電容較大，而傳感器的初始電容量較小， 故這大大降低了傳感器的靈敏度。 寄生電容常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩定，影響測量精度。 因此，對電線的選擇、安裝和接法都有嚴格的要求。比如，可以選用屏蔽性好而自身分 布電容小的高頻電纜作為引線，弓I線盡可能地粗而短。 （3 3）輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的， 雖然可以采用差分型

6、電容來改善， 但非線 性依然存在而不能消除。 其它類型的電容傳感器只有在忽略掉電場邊緣效應 （極板邊緣電場線呈發散狀， 不均勻） 的情況下，輸出特性才呈線性。否則，邊緣效應所產生的附加電容量將與傳感器電容量疊加， 使輸出特性呈現非線性。 二、 保護絕緣材料的絕緣性能 環境溫度的變化會使電容式傳感器內各零部件的幾何尺寸變化， 從而使它們的相對位置 發生改變；同時，溫度變化會使介質的介電常數改變。這樣使電容值發生變化，產生溫度誤 差。濕度也會影響介質的介電常數。 因此，盡量采用空氣、云母等介電常數的溫度系數接近 于零的物質作為絕緣介質。而且，非常好的是， 濕度不會影響它們的介電常數。溫度和濕度 還

7、會影響絕緣材料的絕緣性能，使絕緣電阻改變。 金屬極板應選用溫度系數低的材料。 鐵鎳合金溫度系數小， 但較難加工。可以在陶瓷或 石英的表面上噴涂鐵鎳合金或銀， 這樣的電極可以做得很薄， 大大減小邊緣效應， 而且溫度 系數很小。 在電容式傳感器內，電容極板（簡稱電極）表面的清潔程度直接影響電容的絕緣電阻， 因此應保持其表面的清潔。但是，其表面不便經常清洗，故應加以密封，用以防潮和防塵。 如果加密封不方便，那么可以在極板表面上鍍一層薄的惰性金屬， 比如銠等，這樣去密封極 板。銠惰性層可防潮、防塵、防濕和防腐等作用，但銠是稀有金屬，鍍銠成本較高。 電極支架的選取主要考慮機械強度和溫度性兩方面因素。 為

8、固定和支撐電極，則要求支 架應具備一定的機械強度。為提高靈敏度，則要求支架材料的溫度系數要低， 以及其幾何尺 寸穩定性要好。 為減小環境對傳感器的干擾，則要求支架的絕緣電阻高、吸潮性低和表面電阻小。能滿 足這些條件的材料有塑料和有機玻璃，且易于加工；性能更好的材料有石英、云母、人造寶 石和陶瓷等，但加工難度大。在環境溫度不太高時， 可選用聚四氟乙烯作為支架， 易于加工， 絕緣性又好。 還可以采用差分式對稱結構，來提高靈敏度和減小環境溫度變化等帶來的誤差。 電源的頻率可選用 5 kHz至幾兆赫茲，這樣可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣性能要 求。 傳感器內所有零部件應先清洗，后烘干，再裝備。 傳感器

9、要密封，以防止外界水分的浸入，而引起電容值的變化或使絕緣性能變差。 傳感器外殼的剛性要好，以免安裝時變形。 三、 等效電路 圖 421 421 （ b b、就是平板電容圖 421 421 （a a、從輸入端 A B兩點看進去的高頻等效模型。傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學資源庫 第3頁/共5頁 圖 421 421 （ b b）中，L為傳輸線的線電感， R為傳輸線路的損耗等效電阻，根據電動力 學知道，交流電頻率越高，流過導線的電流就向越靠近導線的外表面， 這一現象叫趨膚效應。 當頻率升高時，導線的軸心幾乎沒有電流流過， 電流分布在靠近導線外側的圓環內， 故導線 的有效橫截面積減小，線

10、電阻增大。頻率越高，圓環面積越小，導線的電阻越大。 C為傳 感器電容。Cp為寄生電容，它比較小。 Rp為極板間的等效漏電阻，非常大。 般情況下 R - L，可以忽略不計。在實際傳感器設計中， 盡量使Cp很小，使RP很 大，那么它們也可忽略掉。在頻率較低時， L也可忽略掉。 在高頻時，電容器就等效為 L與C的串聯模型。設那么它們的等效電容為 Ce，由 1 j Ce 得到 這表明有效電容 Ce比C增大了。傳感器的靈敏度定義為 Ce d (421)(421) Ce LC (422)(422) (423)(423) 圖 421421 電容式傳感器的等效電路 傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學

11、資源庫 第4頁/共5頁 由（422422 得到 C dCe dC 2 2 1 - - LC 丿，于是得到 8 1一 2LC2 (424(424) 代入（423 423 ）得到 7“ 2 2 1 - 2LC (425(425) 傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學資源庫 第5頁/共5頁 k二空 其中 d。可見，靈敏度是電源頻率的函數，因此，當電源高頻較高的情況下使用 傳感器，在改變電源頻率或更換傳輸線路時，都必須對測量系統重新進行定標。 四、邊緣效應 對于電容式傳感器，當極板厚度 h h 與極板間距離3可比時，兩極板邊緣處電力線出現分 布不均勻的現象，即邊緣電場的影響就不能忽略了，如圖

12、422422 所示。 圖 422422 邊緣效應的影響 圖 423423 帶等位換結構的電容傳感 器 對于變面積型和變介電常數型電容傳感器而言， 邊緣效應不僅使靈敏度降低， 而且還增 加非線性。因此應盡量減小或消除邊緣效應。 適當減小極距，使極徑（極板尺寸）與極距比增大，可以減小邊緣效應的影響。但是， 如果這樣，電容就更容易被擊穿，還可能會限制傳感器的測量范圍。 可以減小極板厚度， 使之與極距比很小。 將石英、陶瓷等非金屬材料蒸涂一薄層金屬作 為極板，使極板的有效厚度減小，以減小邊緣效應。 可以在結構上增設等位環，如圖 423423 所示。把 3 3 叫等位環，工作時，使 3 3 的電位與極

13、板 2 2 的點位相同，但保持電氣絕緣， 且等位環與極板 2 2 間隙越小越好。那么，將極板間的邊 緣效應移到等位環與動極板的邊緣， 而保護環邊緣的場強不均勻不會影響電容傳感器的電容 值計算，從而使定極板邊緣處的電力線分布均勻，克服了邊緣效應。 五、寄生電容 電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，一般電容量都很小， 1010- -31033103 皮法，屬于小 功率、高阻抗器件，極易受外界干擾，尤其是電纜寄生電容， 比電容傳感器的電容大幾倍至 幾十倍，且具有隨機性， 電纜電容又與傳感器電容相并聯，嚴重影響傳感器的輸出特性，甚 至會淹沒傳感器的有用信號，使傳感器無法使用。 因此，消滅寄生電容的影響

14、，是電容式傳 感器實用化的關鍵。 消滅寄生電容的方法包括： 1.1.驅動電纜法 如圖 424424 所示，驅動電纜法實際上是一種等電位屏蔽法。 電容傳感器與測量電路的前 置級之間的引線用雙層屏蔽電纜， 并接入增益為 1 1 的驅動放大器。電容傳感器接在放大器的 正輸入端，放大器的負輸入端接地， 放大器的輸出接在雙層屏蔽電纜的內層屏蔽上， 由于放 大器的增益為 1 1，保證了內層屏蔽與芯線等電位， 消除了芯線與內層屏蔽間寄生電容的影響。 由于電纜的內屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化的電壓，因此叫“驅動電纜” 。外屏蔽 層接地或接儀器地，來防止外接電場的干擾。 而內、外層屏蔽間的電容轉變為 1 1 驅動放大器的負載。 這種方法的難處是，要在很寬的 頻帶上嚴格實現放大倍數等于 1 1,且輸出與輸入的相移為零。傳感器及應用學習輔導 物聯網應用技術專業教學資源庫 第6頁/共5頁 圖 424 424 驅動電纜法原理圖 2.2.整體屏蔽法 圖 425425 中，Cx1和Cx2構成差動電容傳感器， 與平衡電阻R3、R4組成測量電橋，U為 電源電壓，C3、C4為寄生電容，K是不平衡電橋的指示放大器， C1則