2025/2/41第4章電容式傳感器2025/2/42引言電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣條件下工作。很有發(fā)展前途的傳感器。2025/2/434.1電容式傳感器工作原理由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類(lèi)型。 2025/2/444.1變面積式電容傳感器面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，被測(cè)量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱(chēng)為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱(chēng)為動(dòng)極板。2025/2/45面積變化型電容傳感器原理1.直線(xiàn)位移型2025/2/46面積變化型電容傳感器原理2.角位移型2025/2/47面積變化型電容傳感器原理3.圓筒型2025/2/484.1.2變極距式電容傳感器當(dāng)改變電容器兩極板間的距離時(shí)，電容器的電容也會(huì)發(fā)生變化。2025/2/49（a）為平板形位移電容傳感器。設(shè)兩個(gè)相同極板的長(zhǎng)為b，寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，電容Cx也隨之改變。電容的相對(duì)變化量和靈敏度為

2025/2/410差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式提高測(cè)量精度，減少動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)極距可能變化而引起的測(cè)量誤差。2025/2/4114.1.3變介質(zhì)式電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測(cè)量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來(lái)測(cè)量?jī)蓸O板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。2025/2/412介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)1.位移型2025/2/413介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)2.液位型2025/2/414結(jié)論傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線(xiàn)性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。

當(dāng)電容傳感器處于初始位置時(shí)，電橋平衡，電橋輸出電壓

；當(dāng)被測(cè)量的變化引起電容傳感器的電容發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即

。2025/2/4154.2電容式傳感器的測(cè)量電路常用電路有:電橋電路、運(yùn)算放大器測(cè)量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。1.電橋電路。

2025/2/4164.2電容式傳感器的測(cè)量電路1.電橋電路

為了提高靈敏度，減小誤差，常采用差動(dòng)形式，其電路如圖所示。Cx1和Cx2表示差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容。2025/2/4174.2電容式傳感器的測(cè)量電路1.電橋電路--電橋測(cè)量電路框圖2025/2/4184.2電容式傳感器的測(cè)量電路2.二極管雙T形交流電橋二極管雙T形交流電橋電路原理如圖4-12所示。圖中，C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，VD1、VD2為理想二極管，R1、R2為固定電阻；e為高頻電源，它提供幅值為Ue的對(duì)稱(chēng)方波。

2025/2/4194.2電容式傳感器的測(cè)量電路3.運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

運(yùn)算放大器的特點(diǎn)就是放大倍數(shù)A很大，輸入阻抗也很大。理想的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗都是無(wú)窮大。利用運(yùn)算放大器的這些特點(diǎn)就可作為電容式傳感器的測(cè)量電路，來(lái)解決單個(gè)變極距式電容器傳感器的非線(xiàn)性問(wèn)題。運(yùn)算放大器式測(cè)量電路如圖所示。圖中，C為總的輸入電容，Cx是電容傳感器。2025/2/4204.2電容式傳感器的測(cè)量電路4.調(diào)頻電路:把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，其部分電路如圖所示。當(dāng)被測(cè)量引起電容量變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，然后通過(guò)鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅值的變化，再經(jīng)過(guò)放大后就可以通過(guò)儀表顯示出來(lái)。

調(diào)頻電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量。易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。2025/2/4214.2電容式傳感器的測(cè)量電路5.諧振電路:振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號(hào)通過(guò)L1、C1回路選頻，再通過(guò)電感耦合到LCx諧振回路。當(dāng)傳感器電容Cx發(fā)生變化時(shí)，則引起諧振回路阻抗的變化，而這個(gè)變化會(huì)使整流器的電流發(fā)生變化。變化的電流再經(jīng)放大器放大后就可通過(guò)儀表顯示被測(cè)量的變化。

諧振電路的靈敏度較高，但工作點(diǎn)不易選擇，變化范圍較窄。2025/2/4224.2電容式傳感器的測(cè)量電路6.脈沖寬度調(diào)制電路

2025/2/4234.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.1電容式傳感器的誤差因素1.溫度的影響3.寄生電容的影響2.漏電阻的影響2025/2/4244.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.2電容式傳感器的制作要求1）傳感器的電容值要盡量的大些。目的在于降低輸出阻抗及對(duì)絕緣材料的要求，提高靈敏度。（2）要采用介電常數(shù)大的電介質(zhì)材料。（3）要選用膨脹系數(shù)小的材料作為電極。目的在于減小溫度附加誤差。（4）要求電源的頻率不應(yīng)過(guò)低。目的在于減小輸出阻抗，提高靈敏度。一般不應(yīng)小于500～1000Hz。（5）要求傳感器及引線(xiàn)要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生電容的影響，提高靈敏度。2025/2/4254.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測(cè)量。2025/2/4264.4.1電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓瘉?lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。2025/2/4274.4.2電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器是將被測(cè)物的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電容量變化，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示2025/2/4284.4.3電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器是通過(guò)改變傳感器中電介質(zhì)的介電常數(shù)，從而引起電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。2025/2/4294.4.4電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器是利用彈性元件的變形，致使電容隨外加載荷的變化而變化。2025/2/4304.4.5電容式厚度傳感器1.電容式測(cè)厚儀2025/2/4314.4.5電容式厚度傳感器2.電容式厚度傳感器2025/2/4324.4.6電容式位移傳感器電容式位移傳感器就是通過(guò)改變電容器極板間的距離引起電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。通常采用的是一種單極變極距式。2025/2/4334.5電容柵式傳感器電容柵式傳感器是在電容式傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然它也有其自身的特點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)、精度高和量程大等特點(diǎn)。2025/2/4344.5.1基本類(lèi)型及原理1.基本類(lèi)型及原理2025/2/4354.5.1基本類(lèi)型及原理2.電容柵極片的結(jié)構(gòu)形式（a）動(dòng)尺2025/2/4364.5.2測(cè)量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測(cè)量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。2025/2/4374.5.2測(cè)量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測(cè)量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。2025/2/438附：電容式接近開(kāi)關(guān)1—檢測(cè)極板2—充填樹(shù)脂3—測(cè)量轉(zhuǎn)換電路4—塑料外殼

5—靈敏度調(diào)節(jié)電位器6—工作指示燈7—信號(hào)電纜2025/2/439工作過(guò)程（1）檢測(cè)極板設(shè)置在接近開(kāi)關(guān)的最前端，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開(kāi)關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹(shù)脂填充、灌封。當(dāng)沒(méi)有物體靠近檢測(cè)極時(shí)，檢測(cè)板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（ωCR）。當(dāng)被檢測(cè)物體為地電位的導(dǎo)電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時(shí)，檢測(cè)極板對(duì)地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。2025/2/440工作過(guò)程（2）當(dāng)不接地、絕緣被測(cè)物體接近檢測(cè)極板時(shí)，由于檢測(cè)極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場(chǎng)，被檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測(cè)極板的對(duì)地等效電容量增大，使LC振蕩電路