1、dDLCln2dSC平板電容器平板電容器 柱形電容器柱形電容器 dSdSCr0(4 1) d，S， ( r)變化變化 C變化變化U(I)變化變化電電 容容 式式 傳傳 感感 器器 變間隙（變間隙（d）型）型 變面積（變面積（S）型）型 變介電常數（變介電常數（）型）型 變間隙式變間隙式 變間隙式變間隙式 變面積變面積式式 變面積式變面積式 變面積變面積式式 變面積式變面積式 變介電常變介電常數式數式 變介電常數變介電常數式式 00dSC初始電容：初始電容：1-動極板動極板2-定極板定極板d0d0 dC0C0 C00000000/11/11ddddCddSdSCC)()(1 302000 ddd

2、dddC相對相對非線性誤差非線性誤差：%100/%100/)/(0020ddddddL001/ddCCK靜態靜態靈敏度靈敏度：)(1 20000 ddddddCC)1 (00dddd圖圖4-4差動式電容器傳感器的曲線差動式電容器傳感器的曲線0/ddC當動極板位移為當動極板位移為 d時時 ：)()(1 3020001 ddddddCC)()(1 3020002 ddddddCC電容總的變化為電容總的變化為 ：)(22300021 ddddCCCC電容相對變化為電容相對變化為 ：)()(1 2402000 ddddddCC靈敏度靈敏度為為 ：002/ddCCK相對相對非線性誤差非線性誤差為為 ：%

3、100%100)/(2)/(220030ddddddL靈敏度提靈敏度提高了一倍高了一倍非線性誤差非線性誤差降低了降低了具有固體介質的變間隙式傳感器結構如圖所示：具有固體介質的變間隙式傳感器結構如圖所示：其初始電容：其初始電容：0121220201/rrSCddddSS 當當d1則則CC Cd1 d，22110/dddSCC電容值的相對變化為：電容值的相對變化為：)/(1121111211dddNNdddCC22111211112111dddNdddNNddd211112111dddNNdddN1既是靈敏度既是靈敏度因子，又是非因子，又是非線性因子；線性因子；取決于取決于d2/d1和和 r2為了

4、消除邊緣效應的影響，為了消除邊緣效應的影響，可以采用設置保護環的方法可以采用設置保護環的方法 極板2均勻場面積極板1保護環直線位移式電容傳感器原理圖直線位移式電容傳感器原理圖初始電容：初始電容：dabC0當動極板移動當動極板移動 xdxbbadxabCx)(xdbCCCx0靈敏度：靈敏度：dbxCKxdbC0本圖也是本圖也是變面積式變面積式電容傳感電容傳感器，是右器，是右圖的變形圖的變形當極板的齒數為當極板的齒數為n時，移動時，移動 x后后xdbCnCx0 xdbnnCCCx0靈敏度為靈敏度為 dbnxCK可見其靈敏度為單極板的可見其靈敏度為單極板的n倍。倍。當動片角位移當動片角位移 時，覆蓋

5、面積時，覆蓋面積S就改變就改變 當當 = 0時：時：dSC0 當當 0時：時：)/1 ()/1 (0CdSC00CCCC靈敏度：靈敏度：0CCK角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器 結構如圖所示：結構如圖所示：rrddaSSdSdaC/1000電容值：電容值： rrrCCC)/(d)da (SCCrr0)/(N11NCCrr32rr3323321rrrrrrrrNNNN靈敏度因子，隨間靈敏度因子，隨間隙比隙比d/(a-d)增大而增大而增大；增大； d/ )da (11Nr2非線性因子，隨間隙非線性因子，隨間隙比比d/(a-d)增大而減增大而減小；小； )da (/d11Nr3可作可作N2和和N

6、3與間隙比與間隙比d/(a-d)的關系曲線的關系曲線 N2N3dddCCC)/(1144ddNNddCC24441ddNddNNdd靈敏度和非線性因子，靈敏度和非線性因子，可作可作N4d/(a-d)曲線曲線 ； ddaNrr/ )(114若保持若保持 r 不變，可測介質厚度不變，可測介質厚度 若被測介質充滿兩極板間，則若被測介質充滿兩極板間，則d=a，此時初始電容：此時初始電容： dSCr00rrrrCCCCrCCC0dSCr0與與 r 成線性關系。成線性關系。 此電容傳感器可測量介質介電常數的變化。此電容傳感器可測量介質介電常數的變化。dSrr0)(dSCr00實際電容傳感器應考慮其損耗和電

7、感效應，其等效電路實際電容傳感器應考慮其損耗和電感效應，其等效電路如圖所示如圖所示 極板間漏電阻極板間漏電阻及介質損耗、及介質損耗、低頻損耗低頻損耗 引線電阻、電容器支架和極板電阻引線電阻、電容器支架和極板電阻 電容器本身電感和外部引線電感電容器本身電感和外部引線電感 xxxxCjLjCje11LCCCe21LCCCCCee21/eC溫度穩定性好；溫度穩定性好；結構簡單，適應性強；結構簡單，適應性強；動態響應好；動態響應好；可以實際非接觸測量，并具有平均效應。可以實際非接觸測量，并具有平均效應。p優點優點輸出阻抗高，負載能力差輸出阻抗高，負載能力差寄生電容影響大寄生電容影響大缺點缺點p減小環境

8、溫度，濕度等變化的影響保證絕緣材料減小環境溫度，濕度等變化的影響保證絕緣材料p的絕緣性能的絕緣性能 增加原始電容值，減少泄漏電容的影響增加原始電容值，減少泄漏電容的影響 消除電纜電容的影響，驅動電纜法消除電纜電容的影響，驅動電纜法 采用接地屏蔽法，克服不穩定的寄生電容的影響采用接地屏蔽法，克服不穩定的寄生電容的影響 整體屏蔽法整體屏蔽法消除和減小邊緣效應和泄漏電容的影響消除和減小邊緣效應和泄漏電容的影響 運算放大器的測量電路原理圖：運算放大器的測量電路原理圖： dSCUCCUCjCjUUixixi000011平衡電橋（電阻平衡臂電橋）平衡電橋（電阻平衡臂電橋）振 蕩 器電 橋放 大器相 敏檢

9、波輸 出參 考電 壓平衡條件：平衡條件：211212211dddCCCzzz初始：初始：d1d2d0 ，C1C2C0 ， z1z2z ,平衡平衡 工作時：中心電極移動工作時：中心電極移動 d，使，使d1d0+ d，d2d0- d，則，則C1C0- C，C2C0+ C，平衡破壞。調，平衡破壞。調z1和和z2使電橋重新平衡，令此時使電橋重新平衡，令此時z1z1 211211zzzdddd)()()(21211121ababddzzzzddd不平衡電橋（變壓器電橋）不平衡電橋（變壓器電橋）0021212112110222) 12(22ddECCECCCCECCCEECCCEU式中式中 C1,C2為差

10、為差動電容傳感器。動電容傳感器。C1C0 CC2 C0 C原理圖原理圖原理圖原理圖電容器的充放電原理電容器的充放電原理 ：)e1 (RRE) t ( I1/ tLL)e1 (RRE) t (I2/ tLL1LL1CRR)RR2(R2LL2CRR)RR2(R其中：其中：T0LLLdt) t (I) t ( IT1IT02/ t1/ tLdt)e1 ()e1 (RRET1)()(22211212kkLLeCeCCCRfRRRRE)2()2(2211LLLLRRRfCRRkRRRfCRRkCCkEfCCEfRRRRRRRIULLLLL2)()()2(2120LLLRRRRRRk2)()2(21CCC

11、2e，C1 ，C2接地接地 ;工作電平高，工作電平高，D1 ，D2工作在線性區靈敏度與電源幅值工作在線性區靈敏度與電源幅值和頻率有關和頻率有關;輸出電壓高輸出電壓高;輸出阻抗與輸出阻抗與C1 、C2無關，與無關，與R1 ，R2同數量級，可用同數量級，可用mA或或 A表直接測量表直接測量;RL影響電容放電速度，宜小些，影響電容放電速度，宜小些，RL1k 時，上升時時，上升時間間20 s，可測量動態信號，可測量動態信號 .雙穩發器態觸利用電容器利用電容器的充放電時的充放電時間調制方波間調制方波脈沖寬度脈沖寬度 時當RRR21原理圖原理圖1212112121211AB0UTTTTUTTTUTTTUU

12、)CCC CCC(UCCUCCCCU020110121210其中r11111UUUlnCRTr11222UUUlnCRTC1C2 C1 C2且且C1C2 對平板變間隙差動電容傳感器對平板變間隙差動電容傳感器 d-01 dd d 02 dd0212ddd10112120UddUddddU對差動變面積式電容傳感器對差動變面積式電容傳感器1121210USSUSSSSU電路特點：電路特點：輸出電壓與被測位移（或面積變化）線性輸出電壓與被測位移（或面積變化）線性 不需解調電路，只需低通濾波電路便可測得較大直流電壓不需解調電路，只需低通濾波電路便可測得較大直流電壓 不需載波不需載波 調寬頻率變化對輸出無

13、影響調寬頻率變化對輸出無影響 電路原理：電路原理： 電容傳感器與電感元件構成調頻振蕩器電容傳感器與電感元件構成調頻振蕩器fC 振蕩頻率：振蕩頻率： ， LCf21CCCCCc01當當 ， 時時CCC00C )(21010CCCCLfffc)(21010CCCLfc 靈敏度高可測量靈敏度高可測量0.01 m位移位移 抗干擾能力強抗干擾能力強 能獲得高電平直流信號或頻率數字信號能獲得高電平直流信號或頻率數字信號 受溫度影響大受溫度影響大 電路特點：電路特點：單膜片電容式傳感器結構圖：單膜片電容式傳感器結構圖：初始電容：初始電容：0200daC當均勻壓力當均勻壓力p作用于膜片作用于膜片電極時，膜片變

14、形，當其凸起電極時，膜片變形，當其凸起hd0時，其變形撓度：時，其變形撓度：)ra (4py22膜片電極固定極板被測壓力選取微元膜片選取微元膜片dS=2 rdr，其微電容：，其微電容： ydrdr2dC00aaadyrdrdydrdrdCC 0 000 0 000/1 22 rdr )dy1 (d2a 0 000rdr )ra (d4p2ad2a 0 220200CCpd8ada02040020 pEtd3apd8aCC30402023a85. 0Et3040Etd3apC/CKtaf2 . 10 如果考慮膜片厚度，則其撓度如果考慮膜片厚度，則其撓度: p)ra (Et1163y22232總電

15、容總電容 a 0 2203200a 0 000a 0 000rdrp)ra (dEt11631 d2 rdrdy1 d2 )d/y(1rdr d2C3042tEd16a )1 (pC/CK靈敏度靈敏度 結構結構原理圖原理圖A0HLHL0AA0HA0H0AA0LAL0CCCCCCCCCCCC1C1C1CCCCCC1C1C1R2R)RR2(R)RR(Rr222R2/rR2選微元：選微元：Rdrdr2dCrdr200 b020020b 0 200ddlnR2R2/bddlnR2 0 b )R2rdln(R2R2/rdrdr2C選微元：選微元：xdrrdCA2 222 0 2222 0 22ln4)(

16、 )( 4/)(42baapraradprapdrrCbbALHppp)(422rapxppKpbaalnddln2RCC222b0A0若將若將CL、CH接入差動電橋，其輸出電壓為接入差動電橋，其輸出電壓為 pK2ECC2ECCCC2EUA0HLHL0輸出電壓與輸出電壓與差壓差壓 p成正成正比比 質量塊由彈簧支撐，在殼加速度作用下，質量塊在質量塊由彈簧支撐，在殼加速度作用下，質量塊在兩固定電極間振動，從而改變電容兩固定電極間振動，從而改變電容C1、C2值，如圖：值，如圖：結構原理如右圖：結構原理如右圖：曲率不同的兩拱弧薄板間安裝兩平板電容器，曲率不同的兩拱弧薄板間安裝兩平板電容器，當拱弧的兩固定點受壓縮變形時，當拱弧的兩固定點受壓縮變形時，平板電容傳感器兩極板間距改變，平板電容傳感器兩極板間距改變，從而電容量改變，應變從而電容量改變，應變 C結構原理如右圖：結構原理如右圖：在彈性鋼板內平行圓孔間設置平行板電容器，在彈性鋼板內平行圓孔間設置平行板電容器，當鋼板受壓力變形時，當鋼板受壓力變形時，平板電容傳感器兩極板間距改變，平板電容傳感器兩