传感器与检测技术基础电容式传感器ppt课件

第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容 以电容器为敏感元件，将机械以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。为电容式传感器。以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化电容式位移传感器的位移测量范围在电容式位移传感器的位移测量范围在1um10mm1um10mm之间，变极距式电容传感器之间，变极距式电容传感器的测量精度约为的测量精度约为2%2%。变面积式电容传。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um0.3um。电容式位移传感器的位移测量范围在1um10mm之间，变极距 S 极板的遮盖面积，单位为极板的遮盖面积，单位为m2；极板间介质的介电系数；极板间介质的介电系数；两平行极板间的距离，单位为两平行极板间的距离，单位为m；0 真空的介电常数，真空的介电常数，0=8.85410-12 F/m；r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。3 3.1 .1 电容式传感器的工作原理及特性电容式传感器的工作原理及特性3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理平行极板电容器的电容量为：平行极板电容器的电容量为：S极板的遮盖面积，单位为m2；3.1电容式传感器3.1.2 3.1.2 电容式传感器的类型和特性电容式传感器的类型和特性 1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 3.1.2电容式传感器的类型和特性1.变极距型电极板极板1极板极板2图图3-1 3-1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器C00 0CC0 0图图3-2 3-2 C C-特性曲线特性曲线极板1极板2图3-1变极距型电容传感器C00下极板上移：下极板上移：设动片未移动时极板间距为设动片未移动时极板间距为0 0初始电容量为：初始电容量为：电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：下极板上移：设动片未移动时极板间距为0初始电容量为：电容的略去高次项，得：略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足满足0 0的条件。且一般的条件。且一般只能只能在极小的范围内变化。在极小的范围内变化。略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足非线性误差与非线性误差与/0 0有关。其表达式为：有关。其表达式为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：非线性误差与/0有关。其表达式为：传感器的灵敏度为：差动式变间隙型电容传感器差动式变间隙型电容传感器动极板上移：动极板上移：初始位置时，初始位置时，动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 1C2 2差动式变间隙型电容传感器动极板上移：初始位置时，动极板定极板传感器与检测技术基础电容式传感器ppt课件提高一倍提高一倍减小减小略去高次项：略去高次项：电容量的相对变化为电容量的相对变化为 ：非线性误差为：非线性误差为：灵敏度：灵敏度：提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：非线性误差为：角位移变面积型角位移变面积型2.2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器 角位移变面积型2.变面积型电容传感器显然：电容显然：电容C C 与角位移与角位移呈线性关系。呈线性关系。动片动片定片定片（a a）角位移式）角位移式显然：电容C与角位移呈线性关系。动片定片（a）角位板状线位移变面积型板状线位移变面积型板状线位移变面积型线性线性 当其中一个极板当其中一个极板发生发生x位移后，改变了两位移后，改变了两极板间的遮盖面积极板间的遮盖面积S，电，电容量容量C同样随之变化。同样随之变化。b（b b b b）直线位移式）直线位移式）直线位移式）直线位移式ax线性当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器D0D1La圆柱形电容式线位移传感器圆柱形电容式线位移传感器初始电容初始电容C C0 0为：为：当覆盖长度变化时，电容量也当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为随之变化。当内筒上移为a 时，时，内外筒间的电容内外筒间的电容C1为：为：D0D1La圆柱形电容式线位移传感器初始电容C0为：当覆盖长(a)(a)(a)(a)厚度传感器厚度传感器厚度传感器厚度传感器x3.3.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 (a)(a)单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器 图图图图3-6 3-6 3-6 3-6 厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路CC1C2C3设固定极板长度为设固定极板长度为a、宽度为、宽度为b、两极板间的距离、两极板间的距离为为；被测物的厚度和它的介电常数分别为；被测物的厚度和它的介电常数分别为x和和,则则(a)厚度传感器x3.变介电常数型电容传感器(a1CBld2d12xCA(b)(b)(b)(b)线位移传感器线位移传感器线位移传感器线位移传感器图图图图3-7 3-7 3-7 3-7 线位移传感器等效电路线位移传感器等效电路线位移传感器等效电路线位移传感器等效电路CACBC单组式平板形线位移传感器单组式平板形线位移传感器 设极板宽度为设极板宽度为b b，板间无介质，板间无介质2 2 时，传感时，传感器的电容量为：器的电容量为：1CBld2d12xCA(b)线位移传感器图3-7线插入介质插入介质2 2 后的电容量为：后的电容量为：所以所以该式表明：电容量该式表明：电容量C与位移与位移x成线性关系。成线性关系。插入介质2后的电容量为：所以该式表明：电容量C与位移x成(c)(c)(c)(c)液位传感器液位传感器液位传感器液位传感器2r22r1hhx图图图图3-8 3-8 3-8 3-8 液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器 其中其中 (c)液位传感器2r22r1hhx图3-8液位传感器的例例3-13-1 某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm40mm和和8mm8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为径为50cm50cm，高为，高为1.2m1.2m。被储存液体的。被储存液体的rr 2.12.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。用在该储存灌内时的灵敏度。解：因为解：因为所以所以例3-1某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同理，当被测液位高度最大，即同理，当被测液位高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的电容量最大。时传感器的电容量最大。同理，当被测液位高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的图5-5 变面积型电容传感器原理图 储存灌的容积为：储存灌的容积为：故传感器的灵敏度为：故传感器的灵敏度为：图5-5变面积型电容传感器原理图储存灌的容积为：故传感3 3.2 .2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路图图3-9 3-9 电容传感器等效电路电容传感器等效电路RP（a）CRLC（b）3.2电容式传感器的测量电路3.2.1电容传感器的等3.2.2 3.2.2 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路 1.1.电桥电路电桥电路 图图3-10 3-10 电容传感器构成的交流电桥电容传感器构成的交流电桥UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU3.2.2电容传感器的测量电路1.电桥电路图3-（c）USCUCr1Cr2CC（d）UCr1Cr2USCLL图图3-10 3-10 电容传感器构成的交流电桥电容传感器构成的交流电桥另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。频电源下工作。（c）USCUCr1Cr2CC（d）UCr1Cr2USCLL图图3-11 3-11 变压器式变压器式 交流电交流电桥桥Cr1Cr2USCU变压器电桥使用变压器电桥使用元件最少元件最少，桥路，桥路内阻最小内阻最小，因此目前较多采用。因此目前较多采用。差动式电容传感器接入变压器式电桥，当差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系。成线性关系。图3-11变压器式Cr1Cr2USCU变压器电桥使用元件Cr1Cr2USC图图3-12 3-12 电桥测量电路电桥测量电路放大放大放大放大振荡器振荡器振荡器振荡器相敏相敏检波检波滤波器滤波器滤波器滤波器在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。大器将信号放大后才能测量。由于电桥输出由于电桥输出电压与电源电电压与电源电压成比例，因压成比例，因此此要求电源电要求电源电压波动极小，压波动极小，需采用稳幅、需采用稳幅、稳频等措施稳频等措施，Cr1Cr2USC图3-12电桥测量电路放大振荡器相敏滤2.2.运算放大器电路运算放大器电路 图图3-13 3-13 运算放大器运算放大器测量电路测量电路CxC0-A-AUUSCIiIxIC Cx x为传感器，为传感器，为传感器，为传感器，C C0 0为固定电容。为固定电容。为固定电容。为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克大器输入电流为零，根据克大器输入电流为零，根据克大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：希霍夫定律，有：希霍夫定律，有：希霍夫定律，有：2.运算放大器电路图3-13运算放大器测量电路Cx如果传感器是一只平行板电容，则：如果传感器是一只平行板电容，则：代入（代入（3-203-20）式得：）式得：可见运算放大器的输出电压与动极板的板可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离间距离成正比。运算放大器电路解决了成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。测量电路仍然存在一定的非线性。如果传感器是一只平行板电容，则：代入（3-20）式得：可见运3.3.二极管双二极管双T T形电路形电路图图图图3-14 3-14 3-14 3-14 二极管双二极管双二极管双二极管双T T T T形电路形电路形电路形电路(a)C2C1UERLR1R2i1i2+若将二极管理想化，则正半周时，二极管若将二极管理想化，则正半周时，二极管D D1 1导通、导通、D D2 2截止，电容截止，电容C C1 1被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至U UE E ，电容，电容C C2 2的电压初始值为的电压初始值为 U UE E ，电源经，电源经R R1 1以以i i1 1向向R RL L供电，供电，而电容而电容C C2 2经经R R2 2、R RL L放电，流过放电，流过R RL L 的放电电流为的放电电流为i i2 2，流过，流过R RL L 的总电流的总电流i iL L为为i i1 1 和和i i2 2的代数和。的代数和。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+3.二极管双T形电路图3-14二极管双T形电路(a)(b)UE+i2 R1R2C1C2RL+i1 在负半周时，二极管在负半周时，二极管D D2 2导通、导通、D D1 1截止，电容截止，电容C C2 2很快被充电至电压很快被充电至电压U UE E；电源经电阻；电源经电阻R R2 2以以i i1 1 向负载电阻向负载电阻R RL L供电，与此同时，电容供电，与此同时，电容C C1 1经电经电阻阻R R1 1、负载电阻、负载电阻R RL L 放电，流过放电，流过R RL L 的放电电的放电电流为流为i i2 2。流过。流过R RL L的总电流的总电流i iL L 为为i i1 1 和和i i2 2 的代的代数和。数和。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在负半周时，二根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容得到电容C C2 2的电流的电流i i 2 2如下：如下：在在 时时,电流电流i i2 2的平的平均值均值I I2 2可写成可写成根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流i电容电容C C1 1上的平均电流为上的平均电流为:故在负载故在负载R RL L上产生的电压为：上产生的电压为：当当R RL L已知时，已知时，为常数，设为为常数，设为K K，则，则输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与与T T形网络中的电容形网络中的电容C C1 1和和C C2 2的差值有关。当的差值有关。当电源电压电源电压确定后，输出电压只是电容确定后，输出电压只是电容C C1 1和和C C2 2 的函数的函数。电容C1上的平均电流为:故在负载RL上产生的电压为：当R双双T T电路的特点：电路的特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，克服了电，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。容式传感器。双T电路的特点：又称又称差动脉冲调宽差动脉冲调宽 电路电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。得到对应被测量变化的直流信号。C C C C1 1 1 1、C C C C2 2 2 2为差动式传感器的为差动式传感器的为差动式传感器的为差动式传感器的两个电容，若用单组式，两个电容，若用单组式，两个电容，若用单组式，两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，则其中一个为固定电容，则其中一个为固定电容，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初其电容值与传感器电容初其电容值与传感器电容初其电容值与传感器电容初始值相等；始值相等；始值相等；始值相等；A A A A1 1 1 1、A A A A2 2 2 2是两个是两个是两个是两个比较器，比较器，比较器，比较器，U U U Ur r r r为其参考电压。为其参考电压。为其参考电压。为其参考电压。图图图图3-16 3-16 3-16 3-16 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A14 4、差动脉宽调制电路、差动脉宽调制电路又称差动脉冲调宽电路C1、C2为差动式传感器的两个电容，若当接通电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q Q端为高电平端为高电平(U U1 1)，端为低电平端为低电平(0)(0)，则触发器通过，则触发器通过R R1 1对对C C1 1充电；当充电；当F F点电位点电位U UF F 升到与参考电压升到与参考电压U Ur r 相等时，比较器相等时，比较器A A1 1产生一脉冲使触发器翻转，产生一脉冲使触发器翻转，从而使从而使Q Q端为低电平，端为低电平，端为高电平端为高电平(U U1 1)。此时，电容此时，电容C C1 1通过二极管通过二极管D D1 1迅速放电至零，迅速放电至零，而触发器由而触发器由 端经端经R R2 2向向C C2 2充电；当充电；当G G点点电位电位U UG G与参考电压与参考电压U Ur r相等时，比较器相等时，比较器A A2 2输出输出一脉冲使触发器翻转，此时，电容一脉冲使触发器翻转，此时，电容C C2 2通过二通过二极管极管D D2 2迅速放电至零，如此交替激励。迅速放电至零，如此交替激励。当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，端为低电 显然，电路充放电的时间，即触发显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容器输出方波脉冲的宽度受电容C C1 1、C C2 2的调的调制。当制。当C C1 1=C C2 2 时，电路各点的电压波形如时，电路各点的电压波形如图图3-17(a)3-17(a)所示，所示，Q Q和和 两端电平的脉冲两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当差宽度相等，两端间的平均电压为零。当差动电容动电容C C1 1和和C C2 2的值不相等，例如的值不相等，例如C C1 1C C2 2时，时，C C1 1和和C C2 2充放电时间常数发生变化，电路中充放电时间常数发生变化，电路中各点的电压波形如图各点的电压波形如图3-17(b)3-17(b)所示。所示。显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrU根据电路知识可知：根据电路知识可知：U UA A、U UB BA A点和点和B B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T T1 1、T T2 2 分别为分别为C C1 1和和C C2 2的充电时间；的充电时间；U U1 1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间T T1 1、T T2 2为：为：根据电路知识可知：UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分A A、B B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于等于A A、B B两点电压平均值两点电压平均值U UA A与与U UB B之差，之差，设设R1 1R2 2R，则则 说明差动脉冲调制电路输出的说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传直流电压与传感器两电容差值成正比。感器两电容差值成正比。A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来说，设对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为电容器初始有效面积为S S0 0，变化量为，变化量为S S，则滤波器输出为：则滤波器输出为：对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来可见可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性动式电容传感器，并具有理论上的线性特性特性。该电路采用直流电源，电压稳定。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。不高。可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论5 5、调频电路、调频电路振荡回路固有电容振荡回路固有电容传感器电容传感器电容引线分布电容引线分布电容图图3-18 3-18 调频式测量电路原理框图调频式测量电路原理框图Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器5、调频电路振荡回路固有电容传感器电容引线分布电容图3-18被测信号被测信号被测信号被测信号调频信号调频信号调频信号调频信号鉴频信号鉴频信号鉴频信号鉴频信号调频电路的优点：调频电路的优点：调频电路的优点：调频电路的优点：抗干扰能力强抗干扰能力强抗干扰能力强抗干扰能力强 特性稳定特性稳定特性稳定特性稳定 高电平直流信号高电平直流信号高电平直流信号高电平直流信号 易于接口易于接口易于接口易于接口Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器被测信号调频信号鉴频信号调频电路的优点：抗干扰能力强Cx3 3.3 .3 电容式传感器的特点及设计电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题与应用中存在的问题 3.3.1 3.3.1 电容传感器的特点电容传感器的特点1 1电容式传感器的优点电容式传感器的优点 （1 1）温度稳定性好）温度稳定性好 传传感感器器的的电电容容值值一一般般与与电电极极材材料料无无关关，仅仅取取决决于于电电极极的的几几何何尺尺寸寸，且且空空气气等等介介质质损损耗耗很很小小，只只要要从从强强度度、温温度度系系数数等等机机械械特特性性考考虑虑，合合理理选选择择材材料料和和几几何何尺尺寸寸其其他他因素因素(因本身发热极小因本身发热极小)影响甚微。影响甚微。3.3电容式传感器的特点及设计3.3.1电容传感器的（2 2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。的测量。（2）结构简单，适应性强3 3动态响应好动态响应好 电电容容式式传传感感器器由由于于极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小，（约约1010-5-5N N），需需要要的的作作用用能能量量极极小小，又又由由于于它它的的可可动动部部分分可可以以做做得得很很小小很很薄薄，即即质质量量很很轻轻，因因此此其其固固有有频频率率很很高高，动动态态响响应应时时间间短短，能能在在几几MHzMHz的的频频率率下下工工作作，特特别别适适合合动动态态测测量量。又又由由于于其其介介质质损损耗耗小小可可以以用用较较高高频频率率供供电电，因因此此系系统统工工作作频频率率高高。它它可可用用于于测测量量高高速速变变化化的的参参数数，如如测测量量振振动、瞬时压力等。动、瞬时压力等。3动态响应好4 4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量当被测件不能允许采用接触测量的情况下的情况下,电容传感器可以完成测量任务。电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时当采用非接触测量时,电容式传感器具有电容式传感器具有平均效应平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。测量的影响。4可以实现非接触测量、具有平均效应电容式传感器除上述优点之外，还因带电电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以量极小，所以特别适宜低能量输入特别适宜低能量输入的测量，的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点 (1)(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电电容容式式传传感感器器的的容容量量受受其其电电极极几几何何尺尺寸寸等等限限制制，一一般般为为几几十十到到几几百百pFpF，使使传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高，尤尤其其当当采采用用音音频频范范围围内内的的交交流流电电源源时时，输输出出阻阻抗抗高高达达10106 610108 8。因因此此传传感感器器负负载载能能力力差差，易易受受外外界界干干扰扰影影响响而而产产生生不不稳稳定定现现象象，严严重重时时甚甚至至无无法法工工作作，必必须须采采取取屏屏蔽蔽措措施施，从从而而给给设设计计和和使使用带来不便。用带来不便。2.电容式传感器的缺点 容容抗抗大大还还要要求求传传感感器器绝绝缘缘部部分分的的电电阻阻值值极极高高（几几十十MM以以上上），否否则则绝绝缘缘部部分分将将作作为为旁旁路路电电阻阻而而影影响响传传感感器器的的性性能能（如如灵灵敏敏度度降降低低），为为此此还还要要特特别别注注意意周周围围环环境境如如温温湿湿度度、清清洁洁度度等等对对绝绝缘缘性性能能的的影响。影响。高高频频供供电电虽虽然然可可降降低低传传感感器器输输出出阻阻抗抗，但但放放大大、传传输输远远比比低低频频时时复复杂杂，且且寄寄生生电电容影响加大，难以保证工作稳定。容影响加大，难以保证工作稳定。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几(2)(2)寄生电容影响大寄生电容影响大 传传感感器器的的初初始始电电容容量量很很小小，而而其其引引线线电电缆缆电电容容(l l2m2m导导线线可可达达800pF800pF)、测测量量电电路路的的杂杂散散电电容容以以及及传传感感器器极极板板与与其其周周围围导导体体构成的电容等构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较大。却较大。“寄寄生生电电容容”降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度，且且是是随随机机变变化化的的，使使传传感感器器的的工工作作不不稳稳定定，影影响响测测量量精精度度，其其变变化化量量甚甚至至超超过过被被测测量量引引起起的的电电容容变变化化量量，致致使使传传感感器器无无法法工工作作。因此对电缆选择、安装、接法有要求因此对电缆选择、安装、接法有要求(2)寄生电容影响大“寄生电容”降低了传感器的灵敏度，且是(3)(3)输出特性非线性输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。特性非线性。(3)输出特性非线性3.3.2 设计与应用中存在的问题 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。3.3.2设计与应用中存在的问题1 1绝缘材料的绝缘性能绝缘材料的绝缘性能 温温度度变变化化使使传传感感器器内内各各零零件件的的几几何何尺尺寸寸和和相相互互位位置置及及某某些些介介质质的的介介电电常常数数发发生生改改变变,从从而而改改变变传传感感器器的的电电容容量量,产产生生温温度度误误差。差。湿湿度度也也影影响响某某些些介介质质的的介介电电常常数数和和绝绝缘缘电电阻值。阻值。因因此此必必须须从从选选材材、结结构构、加加工工工工艺艺等等方方面面来来减减小小温温度度等等误误差差和和保保证证绝绝缘缘材材料料具具有高的绝缘性能。有高的绝缘性能。1绝缘材料的绝缘性能 电电容容式式传传感感器器的的金金属属电电极极的的材材料料以以选选用用温温度度系系数数低低的的铁铁镍镍合合金金为为好好，但但较较难难加加工工。也也可可采采用用在在陶陶瓷瓷或或石石英英上上喷喷镀镀金金或或银银的的工工艺艺，这这样样电电极极可可以以做做得得极极薄薄，对对减减小小边边缘缘效效应应极极为有利。为有利。传传感感器器内内电电极极表表面面不不便便经经常常清清洗洗，应应加加以以密密封封；用用以以防防尘尘、防防潮潮。可可在在电电极极表表面面镀镀以以极极薄薄的的惰惰性性金金属属（如如铑铑等等）层层，代代替替密密封封件件起起保保护护作作用用，可可防防尘尘、防防湿湿、防防腐腐蚀蚀，并并在高温下可减少表面损耗、降低温度系数。在高温下可减少表面损耗、降低温度系数。电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍 传传感感器器内内，电电极极的的支支架架除除要要有有一一定定的的机机械械强强度度外外还还要要有有稳稳定定的的性性能能。因因此此选选用用温温度度系系数数小小和和几几何何尺尺寸寸长长期期稳稳定定性性好好，并并具具有有高高绝绝缘缘电电阻阻、低低吸吸潮潮性性和和高高表表面面电电阻阻的的材材料料。例例如如石石英英、云云母母、人人造造宝宝石石及及各各种种陶陶瓷瓷等等做做支支架架。虽虽然然这这些些材材料料较较难难加加工工，但但性性能能远远高高于于塑塑料料、有有机机玻玻璃璃等等。在在温温度度不不太太高高的的环环境境下下，聚聚四四氟氟乙乙烯烯具具有有良良好好的的绝缘性能，可以考虑选用。绝缘性能，可以考虑选用。传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定 尽尽量量采采用用空空气气或或云云母母等等介介电电常常数数的的温温度度系系数数近近似似为为零零的的电电介介质质（也也不不受受湿湿度度变变化化的的影影响响）作作为为电电容容式式传传感感器器的的电电介介质质。若若用用某某些些液液体体如如硅硅油油、煤煤油油等等作作为为电电介介质质，当当环环境境温温度度、湿湿度度变变化化时时，它它们们的的介介电电常常数数随随之之改改变变，产产生生误误差差。这这种种误误差差虽虽可可用用后后接接的的电电子子电电路路加加以以补补偿偿，但但无无法法完完全全消消除。除。尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介 在在可可能能的的情情况况下下,传传感感器器内内尽尽量量采采用用差差动动对对称称结结构构,这这样样可可以以通通过过某某些些类类型型的的测测量量电路电路(如电桥如电桥)来减小温度等误差。来减小温度等误差。选选用用50kHz50kHz至至几几MHzMHz作作为为电电容容传传感感器器的的电电源源频频率率，以以降降低低对对传传感感器器绝绝缘缘部部分分的的绝绝缘要求。缘要求。传传感感器器内内所所有有的的零零件件应应先先进进行行清清洗洗、烘烘干干后后再再装装配配。传传感感器器要要密密封封以以防防止止水水分分侵侵入入内内部部而而引引起起电电容容值值变变化化和和绝绝缘缘性性能能下下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。在可能的情况下,传感器内尽量采用差动对称结构,这样可 适适当当减减小小极极间间距距，使使电电极极直直径径或或边边长长与与间间距距比比增增大大，可可减减小小边边缘缘效效应应的的影影响响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。但易产生击穿并有可能限制测量范围。电电极极应应做做得得极极薄薄使使之之与与极极间间距距相相比比很很小，这样也可减小边缘电场的影响。小，这样也可减小边缘电场的影响。+-图图3-19 3-19 边缘效应边缘效应2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小 等等位位环环3 3与与电电极极2 2同同平平面面并并将将电电极极2 2包包围围，彼彼此此电电绝绝缘缘但但等等电电位位，使使电电极极1 1和和2 2之之间间的的电电场场基基本本均均匀匀，而而发发散散的的边边缘缘电电场场发发生生在在等位环等位环3 3外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等位环等位环等位环等位环3 3 3 3+-图图3-20 3-20 带有等位环的平板式电容器传感器带有等位环的平板式电容器传感器电极电极电极电极1 1 1 1电极电极电极电极2 2 2 2等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等边边缘缘效效应应引引起起的的非非线线性性与与变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器原原理理上上的的非非线线性性恰恰好好相相反反，在在一一定定程度上起了补偿作用。程度上起了补偿作用。边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好 寄寄生生电电容容与与传传感感器器电电容容相相并并联联，影影响响传传感感器器灵灵敏敏度度，而而它它的的变变化化则则为为虚虚假假信信号号影响仪器的精度，必须消除和减小它。影响仪器的精度，必须消除和减小它。3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2）注意传感器的接地和屏蔽；）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”(”(双层屏蔽等位传双层屏蔽等位传输输)技术技术（5 5）采用运算放大器法；）采用运算放大器法；（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法（1）增加传感器原始电容值 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采采用用减减小小极极片片或或极极筒筒间间的的间间距距(平平板板式式 间间 距距 为为 0.20.5mm0.20.5mm，圆圆 筒筒 式式 间间 距距 为为0.15mm)0.15mm)，增增加加工工作作面面积积或或工工作作长长度度来来增增加加原原始始电电容容值值，但但受受加加工工及及装装配配工工艺艺、精精度度、示示值值范范围围、击击穿穿电电压压、结结构构等等限限制制。一一般般电电容容值值变变化化在在 1010-3-310103 3 pFpF范范围围内内，相对值变化在相对值变化在 10 10-6-611范围内。范围内。（1）增加传感器原始电容值 （2 2）集成化）集成化 将将传传感感器器与与测测量量电电路路本本身身或或其其前前置置级级装装在在一一个个壳壳体体内内，省省去去传传感感器器的的电电缆缆引引线线。这这样样，寄寄生生电电容容大大为为减减小小而而且且易易固固定定不不变变，使使仪仪器器工工作作稳稳定定。但但这这种种传传感感器器因因电电子子元元件件的的特特点点而而不不能能在在高高、低低温温或或环环境境差差的的场场合使用。合使用。（2）集成化 当当电电容容式式传传感感器器的的电电容容值值很很小小，而而因因某某些些原原因因(如如环环境境温温度度较较高高)，测测量量电电路路只只能能与与传传感感器器分分开开时时，可可采采用用“驱驱动动电电缆缆”技术。技术。（3 3）“驱动电缆驱动电缆”(”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也之远也不影响仪器的性能。不影响仪器的性能。当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度图图3-21 “3-21 “驱动电缆驱动电缆”技术技术1：1+测量电路外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器-传感器与测量电路前置级间的引线为双屏传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线，其内屏蔽层与信号传输线(即电即电缆芯线缆芯线)通过增益为通过增益为1 1的放大器成为等电位，的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。图3-21“驱动电缆”技术1：1+测量外屏蔽层内屏蔽层芯由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为变化的电压，因此称为“驱动电缆驱动电缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。界电场的干扰。当电容式传感器的初始电容值很大当电容式传感器的初始电容值很大(几百几百F)F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m10m，仪，仪器仍能正常工作。器仍能正常工作。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱内内外外屏屏蔽蔽层层之之间间的的电电容容是是1:11:1放放大大器器的的负负载载。1:11:1放放大大器器是是一一个个输输入入阻阻抗抗要要求求很很高高、具具有有容容性性负负载载、放放大大倍倍数数为为1(1(准准确确度度要要求求达达1/10000)1/10000)的的同同相相(要要求求相相移移为为零零)放放大大器器。因因此此“驱驱动动电电缆缆”技技术术对对1:11:1放放大大器器要要求求很很高高，电电路路复复杂杂，但但能能保保证证电电容容式式传传感感器器的电容值小于的电容值小于1pF1pF时，也能正常工作。时，也能正常工作。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个图图3-22 3-22 运算放大器式法运算放大器式法-AuoCCx（4）运算放大器法）运算放大器法图3-22运算放大器式法-AuoCCx（4）运算放大 利利用用运运算算放放大大器器的的虚虚地地减减小小引引线线电电缆缆寄寄生生电电容容C CP P。电电容容传传感感器器的的一一个个电电极极经经电电缆缆芯芯线线接接运运算算放放大大器器的的虚虚地地点点,电电缆缆的的屏屏蔽蔽层层接接仪仪器器地地,这这时时与与传传感感器器电电容容相相并并联联的的为为等等效效电电缆缆电电容容C Cp p/(1/(1A)A)，大大大大减减小小了了电电缆缆电电容容的的影影响响。外外界界干干扰扰因因屏屏蔽蔽层层接仪器地，对芯线不起作用。接仪器地，对芯线不起作用。利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容CP。电容传 传传感感器器的的另另一一电电极极接接大大地地，用用来来防防止止外外电电场场的的干干扰扰。若若采采用用双双屏屏蔽蔽层层电电缆缆，其其外外屏屏蔽蔽层层接接大大地地，干干扰扰影影响响就就更更小小。实实际际上上，这这是是一一种种不不完完全全的的电电缆缆“驱驱动动技技术术”，结结构构较较简简单单。开开环环放放大大倍倍数数A A越越大大，精精度度越越高高。选选择择足足够够大大的的A A值值可可保保证证所需的测量精度。所需的测量精度。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双 将将电电容容式式传传感感器器和和所所采采用用的的转转换换电电路路、传传输输电电缆缆等等用用同同一一个个屏屏蔽蔽壳壳屏屏蔽蔽起起来来，正正确确选选取取接接地地点点可可减减小小寄寄生生电电容容的的影影响响和和防防止外界的干扰。止外界的干扰。（5）整体屏蔽法）整体屏蔽法将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个C C1 1和和C C2 2构构成成差差动动电电容容传传感感器器，与与平平衡衡电电阻阻Z Z1 1和和Z Z2 2组组成成测测量量电电桥桥，CpCp1 1和和CpCp2 2为为寄寄生生电电容容 。C1C2CP1CP2Z1Z2-A图图3-23 3-23 交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽C1和C2构成差动电容传感器，与平衡电阻Z1和Z2组成测量电屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在在两两平平衡衡电电阻阻阻阻抗抗臂臂Z Z1 1和和Z Z2 2中中间间，使使电电缆缆芯芯线线与与其其屏屏蔽蔽层层之之间间的的寄寄生生电电容容CpCp1 1和和CpCp2 2分分别别与与Z Z1 1和和Z Z2 2相相并并联联。如如果果Z Z1 1和和Z Z2 2比比CpCp1 1和和CpCp2 2的的容容抗抗小小得得多多，则则寄寄生生电电容容CpCp1 1和和CpCp2 2对对电电桥桥平平衡衡状状态态的的影影响响就就很很小。小。屏蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂Z1和Z2中间，使电缆芯线最易满足上述要求的是最易满足上述要求的是变压器电桥变压器电桥。图图3-11 3-11 变压器式交流电桥变压器式交流电桥Cr1Cr2USCUZ1Z2最易满足上述要求的是变压器电桥。图3-11变压器式交流电Z Z1 1和和Z Z2 2是是具具有有中中心心抽抽头头并并相相互互紧紧密密耦耦合合的的两两个个电电感感线线圈圈，流流过过Z Z1 1和和Z Z2 2的的电电流流大大小小基基本本相相等等但但方方向向相相反反。因因Z Z1 1和和Z Z2 2在在结结构构上上完完全全对对称称，所所以以线线圈圈中中的的合合成成磁磁通通近近于于零零，Z Z1 1和和Z Z2 2仅仅为为其其绕绕组组的的铜铜电电阻阻及及漏漏感感抗抗，它它们们都都很很小小。结结果果寄寄生生电电容容C Cplpl和和C Cp2p2对对Z Z1 1和和Z Z2 2的的分分路路作作用用即即可可被被削削弱弱到到很很低低的的程程度度而而不不致影响交流电桥的平衡。致影响交流电桥的平衡。Z1和Z2是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z还还可可以以再再加加一一层层屏屏蔽蔽，所所加加外外屏屏蔽蔽层层接接地地点点则则选选在在差差动动式式电电容容传传感感器器两两电电容容C C1 1和和C C2 2之之间间。这这样样进进一一步步降降低低了了外外界界电电磁磁场场的的干干扰扰，而而内内外外屏屏蔽蔽层层之之间间的的寄寄生生电电容容等等效效作作用用在在测测量量电电路路前前置置级级，不不影影响响电电桥桥的的平平衡衡，因因此此在在电电缆缆线线长长达达10m10m以以上上时时仍仍能能测测出出 1pF1pF的电容。的电容。还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器（6 6）防止和减小外界干扰）防止和减小外界干扰 当当外外界界干干扰扰(如如电电磁磁场场)在在传传感感器器上上和和导导线线之之间间感感应应出出电电压压并并与与信信号号一一起起输输送送至至测测量量电电路路时时就就会会产产生生误误差差。干干扰扰信信号号足足够够大大时时，仪仪器器无无法法正正常常工工作作。此此外外，接接地地点点不不同同所所产产生生的的接接地地电电压压差差也也是是一一种种干干扰扰信信号号，也也会会给给仪仪器器带带来来误误差差和和故故障障。防防止止和和减减小小干扰的措施归纳为：干扰的措施归纳为：（6）防止和减小外界干扰图5-5 变面积型电容传感器原理图 u屏屏蔽蔽和和接接地地。传传感感器器壳壳体体、导导线线、传传感感器与测量电路前置级等。器与测量电路前置级等。u增加原始电容量，降低容抗。增加原始电容量，降低容抗。u导导线线和和导导线线之之间间要要离离得得远远，线线要要尽尽可可能能短短，最最好好成成直直角角排排列列，若若必必须须平平行行排排列列时时，可采用同轴屏蔽电缆线。可采用同轴屏蔽电缆线。u尽尽可可能能一一点点接接地地，避避免免多多点点接接地地。地地线线要用粗的良导体或宽印制线。要用粗的良导体或宽印制线。图5-5变面积型电容传感器原理图屏蔽和接地。传感器壳体、图5-5 变面积型电容传感器原理图 u采采用用差差动动式式电电容容传传感感器器，减减小小非非线线性性误误差差，提提高高传传感感器器灵灵敏敏度度，减减小小寄寄生生电电容容的的影响和温度、湿度等误差。影响和温度、湿度等误差。图5-5变面积型电容传感器原理图采用差动式电容传感器，减