1、第4章 電容式傳感器 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。優點：結構簡單，可以不用有機材料和磁性材料構成，所以能在高 溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作；可非接觸測量；靈敏度高；響應時間短，適合在線和動態測量；極間的相互吸力十分微小，保證了比較高的測量精度；缺點：易受分布電容和外界干擾的影響，負載能力弱，存在非線性等。 4.1 電容式傳感器工作原理及分類4.2 測量電路4.3電容式傳感器的應用及補充材料 1F=106F=109 nF=1012 pF第4章 電容式傳感器4.1 電容式傳感器的工作原理4.1.1、變面積式電容傳感器 4.1

2、.2、變間隙式電容傳感器 4.1.3、變介電常數式電容傳感器第4章 電容式傳感器一、工作原理及結構類型 電容式傳感器是一個具有可變參數的電容器。 多數場合下，電容器是由兩個金屬平行板組成，且以空氣為介質。如果不考慮邊緣效應，電容器的電容量 ：S 兩平行極板所覆蓋的面積；D 兩平行極板之間的距離； 極板間介質的介電常數；0 真空介電常數（8.85410-12 Fm-1）r 介質相對真空的介電常數， r空氣1，其它介質r 1。 當被測量使得S 、d 或 發生變化時，電容量C 也隨之變化。一般保持其中兩個參數不變而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化。dSdSCr0第4章 電容式傳

3、感器變面積式變面積式( (變變s)s)變間隙式變間隙式( (變變d)d)變介電常數變介電常數( (變變s)s)u 電容式傳感器可分為三種類型：第4章 電容式傳感器（a）、（b）變間隙式；（c）、（d）、（e）、（f）變面積式；（g）、（h）變介電常數式第4章 電容式傳感器1、變面積式電容傳感器 包括角位移和線位移（平面線位移、圓筒線位移） 第4章 電容式傳感器1）. 直線位移式 極板起始覆蓋面積為Sab， 沿活動極板寬度方向移動 x，則改變了兩極間覆蓋面積。忽略邊緣效應，改變后的電容量為初始電容：dabC0 xdbCdxbbadxabCx0)(axCxdbCCCx00C與x成線性關系圖4.2

4、變面積型電容傳感器原理圖第4章 電容式傳感器u 增加極板長度b、減小極板間距d都可以提高靈敏度K ；u 減小極板寬度a可提高相對靈敏度KC ，而極板起始覆蓋長度b與相對靈敏度KC 無關。但a不能太小，必須保證ad ，否則邊緣不均勻電場影響將增大。靈敏度靈敏度為常數。dbxCK第4章 電容式傳感器 為提高測量精度，也常用如圖4.3所示的結構形式，以減少動極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差。圖4.3 中間極板移動變面積式電容傳感器原理圖第4章 電容式傳感器2）. 角位移 當動極板有一個角位移時，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當0 時，則 dSC0當0時，則

5、001CCdSC 這種形式的傳感器電容量C與角位移是成線性關系的。 00CCCC 靈敏度：0CCK第4章 電容式傳感器變面積式電容傳感器動畫第4章 電容式傳感器 在實際應用中，也采在實際應用中，也采用用差動結構，以提高靈敏差動結構，以提高靈敏度。度。角位移測量用的差動角位移測量用的差動式結構如圖式結構如圖4.54.5所示。所示。 圖4.5 差動角位移式電容傳感器原理圖 變面積式電容傳感器輸入輸出變面積式電容傳感器輸入輸出成成線性線性關系（忽略邊緣效應），但關系（忽略邊緣效應），但靈敏度較低，適用于靈敏度較低，適用于較大直線位移較大直線位移及及角位移角位移測量。測量。 第4章 電容式傳感器2、變

6、間隙式電容傳感器 初始電容 00dSC202000001111dddddSdddSddSC當d比較器的參考電壓Ur。l 測量原理： 電源接通，Q1， A點為高電位， 通過R1對C1充電， UM上升，直到高于Ur時比較器A1產生脈沖使雙穩態觸發器翻轉，A點變為低電位，C1通過VD1迅速放電使UM接近零電位，此時B點為高電位，通過R2對C2充電，UN上升，直到高于Ur時比較器A2產生脈沖使雙穩態觸發器重新翻轉，第4章 電容式傳感器 C1= C2 時，C1 和C2 充電相同，電壓波形如圖(a)，輸出電壓uAB為等寬矩形波，平均電壓值為零。 當差動電容C1 和C2 值不相等時，假設C1C2，則C1 和

7、C2 充電時間發生變化，電壓波形如圖(b)。uAB為不等寬矩形波，平均電壓值不為零，C1 、C2相差越大，此值越大。經低通濾波器濾波后獲得直流輸出電壓Uo. 。12121oUCCCCUU1觸發器輸出高電平 A點變為高電位，B點變為低電位，如此周而復始。第4章 電容式傳感器對平行板變極距電容器 11212oUddddU當差動電容C1C2C0。，即 d1d2d0時，Uo0；若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，則 10oUddU若為差動變極板面積電容傳感器 112121oUSSUSSSSU特點：(1) 輸出電壓與被測位移（或面積變化）成線性關系；(2) 效率高，不需要解調器，信號只要

8、經過低通濾波器就有較大的直流輸出；(3) 不需要載波； 調寬頻率的變化對輸出無影響；不像調幅線路那樣，需對元件提出線性要求；(4) 由于低通濾波器作用，對輸出矩形波純度要求不高。第4章 電容式傳感器4.2.3、調頻測量電路 調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量導致電容量發生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發生變化，將頻率的變化在鑒頻中變換為振幅的變化，經過放大后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來。也可以直接通過計數器測定其頻率資。(輸入 C f U )傳感器傳感器第4章 電容式傳感器調頻振蕩器的振蕩頻率由下式決定： LCf21式中 L 振蕩回路的電感； C總電容。CCl+

9、Cc+C0C；其中 C1振蕩回路的固有電容； Cc傳感器的引線分布電容； C0C傳感器的電容。 當被測信號為0時， C 0，則CCl+Cc+C0，所以振蕩器有一個固有頻率 當被測信號不為0時，即C0，振蕩頻率有相應變化，此時，頻率為 優點： 靈敏度高，可測量0.01m甚至更小位移； 抗干擾能力強； 能獲得高電平直流信號（伏特數量級）或頻率數字信號（易用于數字儀器和計算機接口）；缺點： 受溫度影響大 。)(21010CCCLfc)(21010CCCCLfffc第4章 電容式傳感器4.3 電容式傳感器的應用 電容式傳感器因靈敏度高、響應時間短、結構簡單、能在惡劣條件下工作、可非接觸測量等優點，廣泛

10、應用于位移、振動、加速度、角度等機械量的精密測量，還逐步擴大應用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。第4章 電容式傳感器 1 1電容式位移傳感器電容式位移傳感器 采用了差動式結構。當測量桿隨被測位移運動而帶動活動電極采用了差動式結構。當測量桿隨被測位移運動而帶動活動電極位移時，導致活動電極與兩個固定電極間的覆蓋面積發生變化，位移時，導致活動電極與兩個固定電極間的覆蓋面積發生變化，其電容量也相應產生變化。其電容量也相應產生變化。 圖4.20 變面積式位移傳感器結構圖 （差動式）（差動式）傳感器傳感器第4章 電容式傳感器2、電容式差壓傳感器（差壓變送器） 它由金屬彈性測量膜片7與凹型絕

11、緣體5（陶瓷、玻璃等）上金屬膜6（鍍金）組成兩室結構，室內充滿硅油。金屬彈性膜片7為動極板，凹型絕緣體上的金屬膜6為定極板，構成差動變間隙電容傳感器。 該壓力傳該壓力傳感器可用于測量微小壓差感器可用于測量微小壓差 1、4波紋隔離膜片；2、3基座；5玻璃層；6金屬膜；7彈性測量膜片第4章 電容式傳感器 3 3電容測厚儀電容測厚儀 電容測厚儀的關鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋電容測厚儀的關鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋制過程中由它監測金屬板材的厚度變化情況。制過程中由它監測金屬板材的厚度變化情況。 。 圖4.22 電容測厚儀工作原理（差動式）（差動式）傳感器傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器 小小 結結 變電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。它具有結構簡單、分辨率高、抗過載能力大、動態特性好等優點，且能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。 只要固定平行板電容器3個參量d、S、中的兩個，只要另外一個參數改變，則電容量