1、3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理及類型工作原理及類型2. 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器3. 變介電常數型電容傳感器變介電常數型電容傳感器4. 變極距型電容式傳感器變極距型電容式傳感器什么是電容

2、器？電容器有兩個用介質（固體、液體或氣體）或真電容器有兩個用介質（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導體構成。空隔開的電導體構成。電容電容導體上的電荷導體上的電荷導體之間的電壓差導體之間的電壓差QCV1. 工作原理0 rSSCdd S 極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積； d 極板間距離；極板間距離； r相對介電常數；相對介電常數； 0真空介電常數（真空介電常數（8.85pF/m）；）； 電容極板間介質的介電常數。電容極板間介質的介電常數。 S變極距變極距( (）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數變介電常數( )

3、型型: （i）(l) 2. 變面積型電容傳感器當動極板相對于定極板沿著長度當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為方向平移時，其電容變化量化為0000()rrrax bCCCdabxbdd C與與x間呈線性關系間呈線性關系 電容式角位移傳感器 0000dsCr0000(1)(1)rsCCd 當當=0時時 當當0時時傳感器電容量傳感器電容量C與角位移與角位移間呈線性關系，但如果輸出是間呈線性關系，但如果輸出是 ，則是非線性關系。則是非線性關系。 01Xj C3. 變介電常數型電容式傳感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHC

4、ln20初始電容初始電容 電容式液位傳感器電容式液位傳感器 電容與液位的關系為：電容與液位的關系為： 02010021)(dLLLbCCCrr當當L=0時，傳感器的初始電容時，傳感器的初始電容 0000000100dbLdbLCr當被測電介質進入極板間當被測電介質進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為深度后，引起電容相對變化量為02000) 1(LLCCCCCr電容變化量與電介質移動量電容變化量與電介質移動量L呈線性關系呈線性關系 4. 變極距型電容傳感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非線性關系非線性關系 若若d/d103kv/mm)或塑料膜來或塑料膜來改

5、善電容器耐壓性能改善電容器耐壓性能 差動結構也可提高靈敏度差動結構也可提高靈敏度2. 非線性變極距型變極距型 0011/ddCCCddddd d/1d d將上式展開成泰勒級數得將上式展開成泰勒級數得 2301ddddCCdddd/1d d0(/)CCd dd 取值不能大，否則將降低靈敏度取值不能大，否則將降低靈敏度 11()0.01 0.9105ddmmm采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量 24021dddCCddd差動式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍差動式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍 如果采用容抗如果采用容抗 作為電容式傳感

6、器輸出量作為電容式傳感器輸出量XCC1/() 11cXdCS dd被測量與被測量與d 成線性關系成線性關系 無需滿足無需滿足3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.3 傳感器的特點和設計要點 1. 特特 點點2. 設計要點設計要點1、特點 優點優點

7、:1. 溫度穩定性好溫度穩定性好 （電容值與電極材料無關本身（電容值與電極材料無關本身 發熱極小發熱極小 ）2. 結構簡單、適應性強結構簡單、適應性強 3. 動態響應好動態響應好 4. 可以實現非接觸測量、具有平均效應可以實現非接觸測量、具有平均效應動態響應好動態響應好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受敏，分辨率非常高，能感受0.001 m甚至更小的位移甚至更小的位移 可動部分可做得很小很薄，即質量很輕，減小了慣性可動部分

8、可做得很小很薄，即質量很輕，減小了慣性其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態測量。作，特別適合動態測量。介質損耗小，可以用較高頻率供電介質損耗小，可以用較高頻率供電系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。動、瞬時壓力等。缺 點：1、輸出阻抗高、負載能力差輸出阻抗高、負載能力差 傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范到幾百皮法，

9、使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106108 。因此傳感器負因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響載能力差，易受外界干擾影響 2、寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等容等“寄生電容寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容另一方面這些電容(如電纜電容如電纜電容)常常是隨機變

10、化的，將使傳感常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩定，影響測量精度器工作不穩定，影響測量精度 2. 設計要點 減小環境溫度濕度等變化所產生的影響，保證減小環境溫度濕度等變化所產生的影響，保證 絕緣材料的絕緣性能絕緣材料的絕緣性能 消除和減小邊緣效應消除和減小邊緣效應 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界 干擾干擾 盡可能采用差動式電容傳感器盡可能采用差動式電容傳感器 (1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能 ：溫度系數低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金：溫度系數低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應）電極可做得薄，減小邊緣效

11、應） ：選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩定性好，：選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架 ：空氣或云母：空氣或云母 （介電常數溫度系數近為介電常數溫度系數近為0） 傳感器密封，用以防塵、防潮傳感器密封，用以防塵、防潮 采用采用、測量電路來減小溫度等誤差、測量電路來減小溫度等誤差 (2). 消除和減小邊緣效應 危害：靈敏度降低、危害：靈敏度降低、 產生非線性產生非線性 適當減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比適當減小極間距，

12、使電極直徑或邊長與間距比很大，可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿很大，可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿并有可能限制測量范圍并有可能限制測量范圍 (3) 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾（a）屏蔽和接地）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。）增加初始電容值，降低容抗。（c）導線間分布電容有靜電感應，因此導線和導線）導線間分布電容有靜電感應，因此導線和導線 要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列， 若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點接地，避免多點接地）盡可能一點接地，避免多點接地 (5)

13、差動技術的運用 減小非線性誤差減小非線性誤差提高傳感器靈敏度提高傳感器靈敏度減小寄生電容的影響減小寄生電容的影響溫度、濕度等環境因素的影響溫度、濕度等環境因素的影響3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.4 電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和

14、電容式傳感器本身的電感；包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質損耗極板間的漏電損耗和介質損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質損耗rC0CPRgL低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，傳感器電容的阻抗非常大，L和和r的影響可忽略的影響可忽略等效電容等效電容C=C0+Cp，等

15、效電阻等效電阻ReRg CRg高頻等效電路 電容的阻抗變小，電容的阻抗變小，L和和r的影響不可忽略，漏電的影的影響不可忽略，漏電的影響可忽略響可忽略 ，其中，其中C=C0+Cp，而，而rer reCLRCjLjCje11LCCCe21由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此時電容傳感器的等效靈敏度為此時電容傳感器的等效靈敏度為 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由當電容式傳感器的供電電源頻

16、率較高時，傳感器的靈敏度由kg變變為為ke，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關，且隨變化變化而變化。而變化。 3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.5 電容式傳感器測量電路 (1) 調頻電路調頻

17、電路(2) 運算放大器電路運算放大器電路(3) 雙雙T型電橋電路型電橋電路(4)脈寬調制調頻電路脈寬調制調頻電路(1) 調頻電路)(212101CCCCLLCfi當被測信號為零時，當被測信號為零時，C=0，振蕩器有一固有振蕩頻率，振蕩器有一固有振蕩頻率f0，)(21010CCCLfi當被測信號不為零時，當被測信號不為零時，c0，此時頻率為，此時頻率為 ffCCCCLfi001)(21具有較高的靈敏度，可測至具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量級位移變化量易于用數字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強易于用數字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強 (2). 運算放大器式電路 ：能克

18、服變極距型電容傳感器的非線性能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖uC-ACxu0由運算放大器工作原理可知由運算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()( )/xCSd0 uCudS 結論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性結論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性假設放大器開環放大倍數假設放大器開環放大倍數A= ，輸入阻抗，輸入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非線性誤差，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般但一般A和和Zi足夠大，所

19、以這種誤差很小。足夠大，所以這種誤差很小。 (3)二極管雙二極管雙T型電路型電路 電源為正半周電源為正半周D1短路短路D2開路，開路，電容電容C1被充電被充電影響不予考慮，影響不予考慮，電容電容C2的電壓的電壓初始值為初始值為UE 若二極管理想化，當電源為正半周時，電路等效成一階電路若二極管理想化，當電源為正半周時，電路等效成一階電路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供電電壓是幅值為供電電壓是幅值為UE、周期為、周期為T、占空比為、占空比為50%的方波的方波可直接得到電容可直接得到電容C2的電流的電流iC2如下如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112d

20、diURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在在 R+(RRL)/(R+RL) C2T/2時，電流時，電流iC2的平均值的平均值IC2可以寫成可以寫成 故在負載故在負載RL上產生的電壓為上產生的電壓為 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得負半周時電容同理，可得負半周時電容C1的平均電流的平均電流IC1為為 ITRRRRU CCLLE1112 電路的特點 :線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響

21、靈敏度，要求它們高度電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩定；穩定；輸出阻抗為輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點；感器高內阻的缺點；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器感器 。 優點：采用直流電源，其電壓穩定度高采用直流電源，其電壓穩定度高不存在穩頻、波形純度的要求不存在穩頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調等也不需要相敏檢波與解調等對元件無線性要求對元件無線性要求經低通濾波器可輸出較大的直流電壓經低通濾波器可輸出較大的直流電壓對輸出矩形波的純度要求也不高對輸出矩形波的純度要求也

22、不高 (4). 差動脈沖調寬電路 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化傳感器電容量變化而變化通過低通濾波器就能得到對應被測量變化的直流信號通過低通濾波器就能得到對應被測量變化的直流信號 差動脈沖調寬電路原理圖差動脈沖調寬電路原理圖uAB經低通濾波后，就可得到一直流電壓經低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為為 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA點和點和B點的矩形脈沖的直流分量；點的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為分別為C1和和C2的充電時間；的充電時間； U1觸

23、發器輸出的高電位。觸發器輸出的高電位。C1、C2的充電時間TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur觸發器的參考電壓觸發器的參考電壓 設R1=R2=R，則得 UCCCCUr01212：設電容設電容C1和和C2的極間距離和面積分別為的極間距離和面積分別為d1、d2和和S1、S2 差動變極距型差動變極距型差動變面積型差動變面積型 21021EddUUddEUSSSSU12210差動脈沖調寬電路能適用于任何差動差動脈沖調寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性 3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作

24、原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.6 電容式傳感器的應用 (1) 電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器(2) 電容式振動位移傳感器電容式振動位移傳感器(3) 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器(4) 電容式重量傳感器電容式重量傳感器(5) 電容式應變傳感器電容式應變傳感器(6) 電容式指紋識別

25、傳感器電容式指紋識別傳感器P2玻璃盤玻璃盤鍍金層鍍金層金屬金屬膜片膜片C2電極引線電極引線p1C1 結構簡單、靈敏度高、響應速度快結構簡單、靈敏度高、響應速度快(約約100ms)能測微小壓差能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對壓力、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側密封并抽成高真空需把膜片的一側密封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 0RMMRCVCVRRMMCVCV可變電壓可變電壓VM與測頭的位置成比例與測頭的位置成比例 已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應用。已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應用。231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定極板固定極板 2殼體殼體

26、3簧片簧片 4 質量塊質量塊 6 絕緣體絕緣體 精度較高，頻率響應范圍寬，量程大，可以測很高的加速度精度較高，頻率響應范圍寬，量程大，可以測很高的加速度 在彈性剛體內平行圓孔間設置平行在彈性剛體內平行圓孔間設置平行板電容器，當鋼板受壓力變形時，兩極板電容器，當鋼板受壓力變形時，兩極板之間的間距改變，從而改變電容量，板之間的間距改變，從而改變電容量，這種傳感器主要用于重載荷測量。這種傳感器主要用于重載荷測量。 在曲率不同的兩個拱弧薄板間安裝在曲率不同的兩個拱弧薄板間安裝平行板電容器，當拱弧兩固定端受力變平行板電容器，當拱弧兩固定端受力變形時，平行板電容器距離發生改變，從形時，平行板電容器距離發生

27、改變，從而改變電容量。而改變電容量。 人體的手指是一個導體，當手指靠人體的手指是一個導體，當手指靠近電容板時，會使得電容發生變化，再近電容板時，會使得電容發生變化，再接上后續的測量電路，即可探測出電容接上后續的測量電路，即可探測出電容是否發生變化，也就知道手指是否存在。是否發生變化，也就知道手指是否存在。3.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點和設計要點電容式傳感器的特點和設計要點3.4.4 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測

28、量電路3.4.6 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4.7 容柵式傳感器容柵式傳感器3.4.7 容柵式傳感器 (1) 基本類型及工作原理基本類型及工作原理(2) 容柵傳感器電極的結構形式容柵傳感器電極的結構形式(3) 信號處理方式信號處理方式(4) 容柵式傳感器應用容柵式傳感器應用(1) 基本類型及工作原理 l長容柵長容柵l圓容柵圓容柵片狀片狀柱狀柱狀長容柵abnCmaxn動尺柵級片數 a , b柵極片長度和寬度CCmax0aW3a2Wx柱狀圓容柵22122maxrranCr2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內半徑 a 每條柵極片對應的圓心角（rad）(2) 容柵傳感器電極的結構形式 （a

29、）直電極反射式）直電極反射式（b）直電極透射式）直電極透射式（c）反射式）反射式L型電極型電極(a) 直電極反射式結構形式簡單，使用方便，移動過程中，導軌的誤差對測量精度影響較大 (b) 直電極透射式測量調整方便、安裝誤差和運行誤差的影響降低、制造安裝困難 (c) 反射式L型電極增大反射電極的面積，增加耦合的電容量，提高傳感器的靈敏度，增強抗干擾能力和提高穩定性 (3) 信號處理方式鑒幅式測量電路鑒幅式測量電路系統可達到系統可達到0.001mm分辨力，主要在測長儀上使分辨力，主要在測長儀上使用。用。鑒相式測量電路鑒相式測量電路系統分辨力為系統分辨力為0.01mm，主要在電子數字顯示卡尺，主要在電子數字顯示卡尺等數顯量具上使用。等數顯量具上使用。 （a）鑒幅式測量系統0)()(21BmAmCUUCUU01221)(21lxUUUUUm（b）鑒相式測量系統tsincostcoslxUC)tsin(UlxlC)tsin(UCtsinUC)tsin(UC)tsin(UlxCQmmmmmmM14221244200000000式中，Um發射電極激勵信號基波電壓幅值； 發射電極激勵信號基波電壓的頻率。 alx021b14cos2tbabtbaabaUCQmMsincos2222220設 tbaUCQmMsin220設 sin22baacos22bab14cos221arctanarcta