1、 第4章電容式傳感器4.1 電容式傳感器（原理、類型、特點(diǎn)等。本章重點(diǎn)）4.2 *容柵式傳感器（一般介紹）4.3 電容式傳感器應(yīng)用（設(shè)計(jì)要點(diǎn)、應(yīng)用舉例）本章內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排：4.1 電容式傳感器 電容式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一類傳感器。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。最常用的是平行板電容傳感器和圓柱形電容傳感器。 可用來測(cè)量壓力、力、位移、振動(dòng)、液位、成份含量等。4.1.1 平行板電容式傳感器工作原理 設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為S（m2），兩極板間的距離為d0（m），極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為（F/m）。若忽略板極邊緣的影響，平板電容器的電容量C（F）為: 其中：r-相對(duì)介電常

2、數(shù)； 0-真空中的介電常數(shù)， 0=8.8510-12F/m 可以看出，r，S，d0三個(gè)參數(shù)都直接影響著電容量C的大小。圖4.1 平板電容器d0S 如果保持上式中兩個(gè)參數(shù)不變，而使另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將發(fā)生變化。故電容式傳感器可分為三種類型： 變極距型（變間隙型）：改變極板距離d0 ； 變面積型：改變極板相對(duì)面積S ； 變介電常數(shù)型：改變介電常數(shù)。1.變極距型（圖4.1）=常量，S=常量，極距d0 可變，此時(shí)：C=f(d0)圖中極板1固定不動(dòng)，稱定極板，極板2為可動(dòng)極板。當(dāng)可動(dòng)極板隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距離d 0 變化，從而使電容量發(fā)生變化。C隨d0變化的函數(shù)關(guān)系為雙曲線。特性

3、分析 設(shè)動(dòng)極板處于初始位置d0時(shí)，電容器初始電容量為C0 當(dāng)間距減小d時(shí)，則電容變化量C為： 則電容相對(duì)變化量C/C0為： 當(dāng)d d0，上式可展開成級(jí)數(shù)： 忽略上式高次項(xiàng)，有 此式表明，在d d0情況下，電容變化量C與極板間距變化量d 呈近似線性關(guān)系。 的大小有關(guān)，非線性誤差表達(dá)式為 非線性誤差與 如：當(dāng)極距相對(duì)變化量為0.1時(shí)，則誤差達(dá)10%，誤差較大。此式表明：靈敏度K是極板間距d0的函數(shù)，d0越小，靈敏度越高。 但減小d0，同樣會(huì)使非線性誤差增大，且受電容器擊穿電壓的限制，制造困難。為此，在實(shí)際應(yīng)用中，為改善非線性，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 該類傳感器的靈敏度為： 我們只給出結(jié)論：差動(dòng)式電容傳

4、感器，靈敏度提高了一倍，非線性誤差可以減小一個(gè)數(shù)量級(jí)（詳見教材）。 變極距型應(yīng)用：電容式傳聲器(a)角位移式 (b)直線位移式圖4.4 變面積型電容式傳感器2.變面積型=常量，d 0=常量，相對(duì)面積可變，此時(shí)C=f(S)。其結(jié)構(gòu)見下圖。 a)角位移式特性分析 當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積S就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化。 當(dāng)= 0時(shí)， C0=S/ d0 當(dāng)0時(shí) 可見：電容C與角位移呈線性關(guān)系。b)直線位移式（圖4.4 b） 當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為： 其靈敏度為：可見：增加初始電容C0可提高傳感器的靈敏度。 圖4.5為齒形極板的位移式電容傳感器

5、。采用齒形極板的目的是利用平均效應(yīng)，減小誤差。 設(shè)齒形極板的齒數(shù)為n，當(dāng)動(dòng)極板發(fā)生直線位移x時(shí)，其電容為： 該傳感器的靈敏度K變?yōu)椋?若在兩極間充以其他介質(zhì)，使介電常數(shù)相應(yīng)變化，則電容量也隨之變化。這種傳感器常用來檢測(cè)容器中液面高度、片狀材料的厚度等。 下圖所示傳感器，其電容量等于兩個(gè)電容相串聯(lián)，即 3.變介電常數(shù)型4.1.2 圓柱形電容式傳感器工作原理 1. 同軸圓柱形電容式傳感器 （變面積型） 右圖所示為同軸圓柱形電容式傳感器示意圖。 其電容量為：當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)L時(shí)，電容變化量C為： 由以上分析可得出結(jié)論，同軸圓柱型電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出C與輸入L呈理想的線性關(guān)系。 當(dāng)被測(cè)液體

6、的液面在同心圓柱形電極間發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致電容的變化。 此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)同軸圓柱形電容C0、C1并聯(lián)： 2.變介質(zhì)圓柱形電容式傳感器（變介電常數(shù)型）電容式液位計(jì)屬于該類。輸出電容與液面高度呈線性關(guān)系。電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）變介質(zhì)電容式傳感器應(yīng)用4.1.3 電容式傳感器的特性 1、等效電路 若考慮電容器的損耗和電感效應(yīng)，電容式傳感器的等效電路如右圖。C為傳感器電容，RP為并聯(lián)損耗電阻，RS為引線電阻，L為電容傳感器本身電感和外部引線電感。由此可得到等效阻抗ZC，即： 由于傳感器的并聯(lián)電阻Rp很大，串聯(lián)電阻RS很小，忽略這兩項(xiàng)，則等效阻抗ZC為： 因此，電容傳感器的等效電容Ce可由下式

7、求得： 式中：f0為等效電路諧振頻率， 電容傳感器的等效電路，特別是高頻時(shí)存在串聯(lián)諧振頻率，該諧振頻率通常為幾十MHz。故一般的供電頻率要遠(yuǎn)離該值，一般為1/21/3，傳感器才能正常工作。 一般當(dāng)f10MHz時(shí)，還可忽略L的影響，并且實(shí)際使用時(shí)，只要使用條件能保證與傳感器標(biāo)定時(shí)的接線條件，L可不考慮。（1）高阻抗 電容式傳感器的電容量一般很小，其容抗Xc=1/jC，呈現(xiàn)高阻抗。（2）小功率2.高阻抗和小功率 3.靜電引力 在被測(cè)量很小時(shí)，電容式傳感器兩極板間的靜電場(chǎng)會(huì)使動(dòng)極板產(chǎn)生附加位移，造成測(cè)量誤差。4.1.4 轉(zhuǎn)換電路 用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多，常見的電路有：普通交流電橋、變壓器電橋

8、、調(diào)頻電路，二極管雙T形電路、運(yùn)算放大器電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路。 電容接橋方式很多，但必須接入交流電橋，且電源頻率不能太低。如普通電橋和變壓器電橋。1、調(diào)頻電路 圖4.10 調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有頻率f0 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化 2、運(yùn)算放大器電路 電路原理圖如下圖所示。電容式傳感器跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端與輸出端之間。運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，因此可認(rèn)為它是一個(gè)理想運(yùn)算放大器，其輸出電壓為二極管雙T型交流電橋是利用電容充放電特性進(jìn)行工作。3、二極管雙T型交流電橋圖中e是高頻電源，提供幅值為E的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特

9、性完全相同的兩個(gè)理想二極管，固定電阻R1=R2=R，RL為負(fù)載電阻，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，對(duì)于單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個(gè)為傳感器電容。 負(fù)載RL的兩端電壓為輸出信號(hào)，可推出： 該電路的特點(diǎn)： 線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減少了分布電容的影響； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為R，克服了電容傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； 適用于單組式和差動(dòng)式電容傳感器。4、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路* 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路（脈沖寬度調(diào)制電路）原理圖如下。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高； 對(duì)元件無線性要求；不存在穩(wěn)頻，不需要相敏檢波與解調(diào)等；低

10、通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出波形的純度要求也不高。4.2 容柵式傳感器*4.2.1 容柵式傳感器的類型與工作原理一、類型：長(zhǎng)容柵、圓容柵 容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。可測(cè)大位移（可達(dá)1m），具有精度高（可達(dá)5m），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。二、工作原理1、長(zhǎng)容柵傳感器2、圓容柵傳感器其工作原理與長(zhǎng)容柵相似。 長(zhǎng)容柵傳感器也稱線位移容柵傳感器。由定尺和動(dòng)尺組成。工作原理參見下圖。4.2.2 容柵式傳感器的特點(diǎn)與抗干擾措施一、優(yōu)點(diǎn)：1、耗能低。適用于以電池供電的測(cè)量場(chǎng)所。2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。3、能在高溫，惡劣環(huán)境下工作。二、缺點(diǎn)： 易受引線、接地、外殼等外

11、界干擾，對(duì)后續(xù)放大器也要求很高。4.2.3 容柵式傳感器的信號(hào)處理方式（略）1、調(diào)幅式信號(hào)處理 2、調(diào)相式信號(hào)處理三、提高抗干擾能力的措施1、提高電源頻率。 2、采用高輸入阻抗運(yùn)放。3、采用帶通或選頻放大技術(shù)。 4、采用屏蔽。5、提高初始電容值。6、減小極板厚度，增大極板寬度。應(yīng)遵循的幾項(xiàng)原則：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量提高傳感器的初始電容值。 （2）防水防塵。嚴(yán)防潮氣、塵土和蒸汽。 （3）電容極板的絕緣與固定。 （4）合理選材。減小傳感器的零點(diǎn)漂移。4.3 電容式傳感器的應(yīng)用 4.3.1 電容式傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn) （5）合理選擇電源電壓頻率。 電源電壓頻率的選擇應(yīng)不低于5001000Hz。

12、 （6）注意傳感器的容許工作電壓。 （7）考慮連接電纜對(duì)傳感器特性的影響。 如采用超小型大規(guī)模集成電路；采用“驅(qū) 動(dòng)電纜技術(shù)等”。（8）采用屏蔽接地技術(shù)。4.3.2 電容式傳感器的應(yīng)用舉例1、電容式測(cè)微儀 高靈敏度電容式測(cè)微儀采用非接觸方式精確測(cè)量微位移和振動(dòng)振幅。在最大量程為（1005）m時(shí)，最小檢測(cè)量為0.01m。 右圖為電容式測(cè)微儀測(cè)頭原理圖。圖4.17 電容式測(cè)微儀原理圖2、電容式壓力傳感器圖4.20（a）為單只變極距型電容式傳感器原理圖。用于測(cè)量氣體或液體壓力。圖4.20（b）為一種小型差動(dòng)電容式壓力傳感器。可用于微小壓力。產(chǎn)品.陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生 位移。 壓力變送器 右圖為電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。質(zhì)量塊4由