電容式傳感器課件

第五章電容式傳感器第五章電容式傳感器

電容式傳感器是基于電容器的原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電容量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)★優(yōu)點(diǎn)

①高阻抗，小功率。②靈敏度高，具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。③良好的動(dòng)態(tài)特性。④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器是基于電容器的原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電容⑤可進(jìn)行非接觸測(cè)量。⑥本身發(fā)熱影響小。★缺點(diǎn)：①變間隙電容傳感器非線性較嚴(yán)重。②輸出阻抗很高。③寄生電容大應(yīng)用：

可用于位移、壓力、厚度、液位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量的測(cè)量。⑤可進(jìn)行非接觸測(cè)量?！锶秉c(diǎn)：②輸出阻抗很高。③寄生電容大應(yīng)一、

電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容為C—電容量；d—兩平行極板間的距離；

—介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

—真空的介電常數(shù)，

=8.85×10-12F/m；A—極板面積。一、電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)

在進(jìn)行非電量電測(cè)時(shí)，可把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)換成d或A的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容量的變化。邊緣效應(yīng)：1）邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因：2）產(chǎn)生的后果：邊緣效應(yīng)將使電容量增大，靈敏度降低。3）消除邊緣效應(yīng)的方法：應(yīng)增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。也可采用等位環(huán)的方法，如圖所示。在進(jìn)行非電量電測(cè)時(shí)，可把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)3）消除邊緣效應(yīng)的方法：應(yīng)增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。也可采用等位環(huán)的方法，如圖5-2所示。3）消除邊緣效應(yīng)的方法：二、電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及主要特性

電容式傳感器分為三個(gè)類(lèi)型，即變極距（d）型、變面積（A）型和變介電常數(shù)（ε）型。1結(jié)構(gòu)類(lèi)型二、電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及主要特性電容式傳感器分為電容式傳感器課件電容式傳感器課件三、

電容式傳感器的靈敏度及非線性電容特性公式為可見(jiàn)：電容量C與d之間是一種雙曲線函數(shù)關(guān)系，如圖5-3所示。

工作時(shí)必須將d變化范圍限制在一個(gè)遠(yuǎn)小于d的△d區(qū)間內(nèi)。可將△C和△d的關(guān)系近似看作是線性關(guān)系。1、變極距型平板電容式傳感器三、電容式傳感器的靈敏度及非線性電容特性公式為可見(jiàn)：電容當(dāng)d0→d0-△d時(shí)，△C為：略去非線性項(xiàng)，有當(dāng)<<1時(shí)，有當(dāng)d0→d0-△d時(shí)，△C為：略去非線性項(xiàng)，有當(dāng)所以靈敏度為

在條件下，電容的變化量△C與極板間距變化量△d近似呈線性關(guān)系。一般取

略去二次方以上各項(xiàng)，測(cè)得所以靈敏度為在條件下，電容的變化量非線性誤差為非線性誤差為

越小，則越小，即只有在很小時(shí)（小測(cè)量范圍）才有近似的線性輸出。討論：1）靈敏度K與極距d0的平方成反比。

d0越小，靈敏度越高。d0過(guò)小，容易引起電容擊穿或短路。

采取的措施：可在極板間放置云母片或其它介電常數(shù)高的材料越小，則越小，即只有在很小時(shí)

在分母中加上dy/εy這一恒定值后，特性的線性度也得到了改善。（2）為了提高靈敏度，減小非線性，常采用差動(dòng)電容式傳感器，如圖5-6所示。

在分母中加上dy/εy這一恒定值后，特性的線性度也得到

中間為動(dòng)片，上下為定片，當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)△d時(shí)，則有（C1、C2的初始電容用C0來(lái)表示）則移動(dòng)△d后中間為動(dòng)片，上下為定片，當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)△d時(shí)，則有（當(dāng)<<1，所以按級(jí)數(shù)展開(kāi)可寫(xiě)成電容量的變化為略去高次項(xiàng)，則當(dāng)<<1，所以按級(jí)數(shù)展開(kāi)可寫(xiě)成電容量的變化為傳感器的靈敏度為其非線性誤差為

靈敏度較單組變極距型提高了一倍，非線性大大減小。傳感器的靈敏度為其非線性誤差為靈敏度較單組變極距型提高2、變面積型板狀線位移傳感器

如圖5-7所示，當(dāng)動(dòng)極板沿箭頭所示的方向移動(dòng)x時(shí)，其電容量為傳感器的靈敏度為

傳感器的輸出呈線性，增大b減小d0，可提高靈敏度，但是b值的增大受結(jié)構(gòu)的限制。2、變面積型板狀線位移傳感器

而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同時(shí)加工難度加大。

l不能太小，否則邊緣效應(yīng)影響增大，引起非線性。3、變介電常數(shù)型傳感器

當(dāng)電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之改變，根據(jù)這個(gè)原理可構(gòu)成變介電常數(shù)型電容傳感器。如圖5-8所示的電容式液位傳感器就是一種變介電常數(shù)型電容式傳感器。而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。表5-1幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極傳感器的靈敏度為三、

電容式傳感器的等效電路

圖中：C——傳感器電容；

CP——寄生電容；

RP——并聯(lián)損耗電阻，它包括電極間直流電阻和氣隙中介質(zhì)損耗的等效電阻；

L——為傳感器本身的電感及外部引線電感組成；

RS——串聯(lián)損耗電阻，由引線電阻、金屬接線柱電阻及電容極板電阻組成。傳感器的靈敏度為三、電容式傳感器的等效電路圖中：C——

由等效電路可知，傳感器有一諧振頻率，當(dāng)工作頻率等于或接近于諧振頻率時(shí)，電容傳感器將不能正常工作，因此選擇的工作頻率應(yīng)低于諧振頻率，此時(shí)，電容的實(shí)際相對(duì)變化量為由等效電路可知，傳感器有一諧振頻率，當(dāng)工作頻率等于或

電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微?。◣灼しǖ綆资しǎ@樣小的電容量不便于直接傳輸、記錄和顯示，因此，必須借助于一定的檢測(cè)電路，檢測(cè)出這一微小電容變化量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率，以便進(jìn)行顯示記錄，或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理。1、電橋電路

電橋電路是采用最多的一種測(cè)量電路，有阻容電橋、變壓器電橋、雙T電橋等。四、電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路

電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微?。◣灼しǖ綆资しǎ?，（1）阻容電橋

C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，分別作為電橋的兩個(gè)橋臂。如果是只有一個(gè)電容C1變化的傳感器，則C2應(yīng)配備一固定電容，電橋的另兩個(gè)橋臂是相同的固定電阻。

振蕩器產(chǎn)生一個(gè)等幅高頻交流電壓，加在交流電橋的AC端，為交流電橋提供電源電壓。（1）阻容電橋C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，

BD端為交流電橋的電壓輸出端，交流電橋的輸出電壓是一個(gè)調(diào)幅的載波信號(hào)，其頻率為載波頻率，而幅度受被測(cè)信號(hào)的調(diào)制，此信號(hào)經(jīng)交流放大器放大和相敏檢波后，得到一個(gè)與被測(cè)信號(hào)變化規(guī)律相同的電信號(hào)，該信號(hào)最后經(jīng)低通濾波器去除殘余載波得到輸出電壓?！镆箅姌蚍糯笃鞯妮斎胱杩购芨摺镆话阋蠼涣麟娫吹念l率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的5-10倍。BD端為交流電橋的電壓輸出端，交流電橋的輸出電壓是一（2）變壓器電橋

圖中C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，分別作為電橋的兩個(gè)橋臂，該橋臂的阻抗。但其電橋的另兩個(gè)橋臂是相同的固定電感，為變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈，顯然這兩個(gè)線圈應(yīng)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。（2）變壓器電橋圖中C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電電橋的輸出電壓為將阻抗表達(dá)式代入上式得當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，因有則有電橋的輸出電壓為將阻抗表達(dá)式代入上式得當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，2.運(yùn)算放大器式電路1）優(yōu)點(diǎn)：改善單個(gè)變極距型電容式傳感器特性的非線性關(guān)系2）原理：如圖所示2.運(yùn)算放大器式電路1）優(yōu)點(diǎn)：改善單個(gè)變極距型電容式傳感器電路假設(shè)條件：（1）運(yùn)算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大器飽和。（2）放大器的輸入阻抗很高。電路假設(shè)條件：（1）運(yùn)算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大（3）討論①輸出將與動(dòng)極片位移d成線性關(guān)系,但由于放大器增益，輸入阻抗，所以仍有一點(diǎn)非線性誤差。②與電源電壓、固定電容C0及電容式傳感器的ε0、A等有關(guān)，任何這些參數(shù)的波動(dòng)都將使輸出特性產(chǎn)生誤差，因此固定電容C0必須穩(wěn)定，且需要高精度的交流穩(wěn)壓源。③由于電容傳感器的電容小，容抗很高，故傳感器與放大器之間的聯(lián)結(jié)，需要有屏蔽措施。④不適用于差動(dòng)式電容傳感器的測(cè)量。（3）討論②與電源電壓、固定電容C0及電容式五、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、特點(diǎn)：1）溫度穩(wěn)定性好電容值與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)的損耗很小。因此僅需從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械性考慮，合理選擇尺寸即可，本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。（固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短外，又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。4)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有平均效應(yīng)。五、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。主要缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差寄生電容影響大輸出特性是非線性2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)時(shí)可從以下幾個(gè)方面考慮：

1)減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能；2)消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除和減小它。主要缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)2)消除和減小邊★具體措施有：①減小極間距（適當(dāng)），使極徑與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)，但易產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。②使電極做得很薄。③可以設(shè)置等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。極板間隙保護(hù)環(huán)★具體措施有：極板間隙保護(hù)環(huán)

但應(yīng)該指出，邊緣效應(yīng)所引起的非線性與變極距型電容傳感器原理上的非線性正好相反，因此在一定程度上起了補(bǔ)償作用，但這是犧牲了靈敏度來(lái)改善傳感器的非線性（邊緣效應(yīng)將使靈敏度下降）。3.消除或減小寄生電容的影響寄生電容與傳感器的電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則影響了儀器的精度，必須消除和減小它，可采取：

①增加原始電容值，可減小寄生電容的影響；②注意傳感器的接地和屏蔽；③將傳感器與電子線路的前置放大器裝在一個(gè)殼內(nèi)；④采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)（加放大器）；但應(yīng)該指出，邊緣效應(yīng)所引起的非線性與變極距型電容傳感器

⑤采用運(yùn)算放大器等；⑥整體屏蔽。4.防止和減小外干擾措施：①屏蔽與接地；②增加原始電容值、降低容抗；③導(dǎo)線與導(dǎo)線要離的較遠(yuǎn)；④盡可能一點(diǎn)接地。5.盡量采用差動(dòng)式電容傳感器，可以減小非線性，提高靈敏度，減小寄生電容和減小干擾。⑤采用運(yùn)算放大器等；寄生電容消滅寄生電容的影響，是傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。消滅寄生電容的方法：①驅(qū)動(dòng)電纜法等電位屏蔽法寄生電容消滅寄生電容的影響，是傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。消滅寄生電②整體屏蔽法③采用組合式與集成技術(shù)②整體屏蔽法③采用組合式與集成技術(shù)例1電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用六、電容式傳感器的應(yīng)用例1電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用六、電容式傳感器例2電容式稱(chēng)重傳感器誤差平均效應(yīng)例2電容式稱(chēng)重傳感器誤差平均效應(yīng)例3電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式例3電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式例4電容式加速度傳感器慣性原理例4電容式加速度傳感器慣性原理靈敏度：0.35mV/g/V靈敏度：0.35mV/g/V例5容柵傳感器差動(dòng)變面積型誤差平均效應(yīng)精度：10um范圍：0~150mm例5容柵傳感器差動(dòng)變面積型誤差平均效應(yīng)精度：10um電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元2—信號(hào)處理電路3—襯底4—底層多晶硅（下電極）5—多晶硅懸臂梁6—頂層多晶硅（上電極）硅微加工加速度傳感器原理1—加速度測(cè)試單元

利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車(chē)上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車(chē)前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。

汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰汽車(chē)氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用汽車(chē)氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用

電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示休息一下休息一下作業(yè)5-1根據(jù)電容式傳感器工作原理，可將其分為幾種類(lèi)型？每種類(lèi)型各有什么特點(diǎn)？各適用于什么場(chǎng)合？5-2

如何改善單極式變極距型電容式傳感器的非線性？5-3

試計(jì)算題5-3圖所示各電容式傳感元件的總電容。

題5-3圖作業(yè)5-1根據(jù)電容式傳感器工作原理，可將其分為幾種類(lèi)型？每種5-4

當(dāng)差動(dòng)式極距變化型的電容式傳感器動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了Δd=0.75mm時(shí)，若初始電容量C1=C2=80pF，初始距離d=4mm，試計(jì)算其非線性誤差。若將差動(dòng)電容改為單平板電容，初始值不變，其非線性誤差有多大？5-5有一個(gè)以空氣為介質(zhì)的極板電容式傳感器，其中一塊極板在原始位置上平移了15mm后，與另一極板之間的有效重疊面積為20mm2，兩極板間距為1mm，已知空氣相對(duì)介電常數(shù)，真空時(shí)的介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m，求該傳感器的位移靈敏度K=？5-4當(dāng)差動(dòng)式極距變化型的電容式傳感器動(dòng)極板相對(duì)于定極板位5-6

試推導(dǎo)變間隙式差動(dòng)電容傳感元件接入變壓器式電橋后的輸出特性表達(dá)式。線路見(jiàn)題5-6圖所示，C1和C2為變間隙式差動(dòng)電容傳感元件。平衡時(shí)，C1、C2極板間隙均為δ0，設(shè)E1=E2=E3，負(fù)載Zf=∞。

5-6試推導(dǎo)變間隙式差動(dòng)電容傳感元件接入變壓器式電橋后的輸5-7

某技術(shù)員設(shè)計(jì)了一個(gè)電容式壓力傳感器。用來(lái)測(cè)量某液壓設(shè)備的油壓（油壓變化為：+20Pa~+60Pa），其傳感元件結(jié)構(gòu)示意圖如題5-7圖所示。傳感器工作頻率為1MHz。該設(shè)備運(yùn)行時(shí)工作人員不允許進(jìn)入機(jī)房。因此該技術(shù)員用一根長(zhǎng)10m的單層屏蔽同軸電線將傳感器元件與測(cè)量電路相通。測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出不穩(wěn)定，試幫助其分析原因，并指出改進(jìn)方法。5-7某技術(shù)員設(shè)計(jì)了一個(gè)電容式壓力傳感器。用來(lái)測(cè)量某液壓設(shè)休息一下休息一下

選擇=結(jié)果匯報(bào)結(jié)束

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電容式傳感器是基于電容器的原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電容量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)★優(yōu)點(diǎn)

①高阻抗，小功率。②靈敏度高，具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。③良好的動(dòng)態(tài)特性。④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器是基于電容器的原理，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電容⑤可進(jìn)行非接觸測(cè)量。⑥本身發(fā)熱影響小?！锶秉c(diǎn)：①變間隙電容傳感器非線性較嚴(yán)重。②輸出阻抗很高。③寄生電容大應(yīng)用：

可用于位移、壓力、厚度、液位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量的測(cè)量。⑤可進(jìn)行非接觸測(cè)量?！锶秉c(diǎn)：②輸出阻抗很高。③寄生電容大應(yīng)一、

電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)

在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容為C—電容量；d—兩平行極板間的距離；

—介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

—真空的介電常數(shù)，

=8.85×10-12F/m；A—極板面積。一、電容式傳感器的工作原理及分類(lèi)在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)

在進(jìn)行非電量電測(cè)時(shí)，可把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)換成d或A的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容量的變化。邊緣效應(yīng)：1）邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因：2）產(chǎn)生的后果：邊緣效應(yīng)將使電容量增大，靈敏度降低。3）消除邊緣效應(yīng)的方法：應(yīng)增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。也可采用等位環(huán)的方法，如圖所示。在進(jìn)行非電量電測(cè)時(shí)，可把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)3）消除邊緣效應(yīng)的方法：應(yīng)增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。也可采用等位環(huán)的方法，如圖5-2所示。3）消除邊緣效應(yīng)的方法：二、電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及主要特性

電容式傳感器分為三個(gè)類(lèi)型，即變極距（d）型、變面積（A）型和變介電常數(shù)（ε）型。1結(jié)構(gòu)類(lèi)型二、電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及主要特性電容式傳感器分為電容式傳感器課件電容式傳感器課件三、

電容式傳感器的靈敏度及非線性電容特性公式為可見(jiàn)：電容量C與d之間是一種雙曲線函數(shù)關(guān)系，如圖5-3所示。

工作時(shí)必須將d變化范圍限制在一個(gè)遠(yuǎn)小于d的△d區(qū)間內(nèi)?？蓪ⅰ鰿和△d的關(guān)系近似看作是線性關(guān)系。1、變極距型平板電容式傳感器三、電容式傳感器的靈敏度及非線性電容特性公式為可見(jiàn)：電容當(dāng)d0→d0-△d時(shí)，△C為：略去非線性項(xiàng)，有當(dāng)<<1時(shí)，有當(dāng)d0→d0-△d時(shí)，△C為：略去非線性項(xiàng)，有當(dāng)所以靈敏度為

在條件下，電容的變化量△C與極板間距變化量△d近似呈線性關(guān)系。一般取

略去二次方以上各項(xiàng)，測(cè)得所以靈敏度為在條件下，電容的變化量非線性誤差為非線性誤差為

越小，則越小，即只有在很小時(shí)（小測(cè)量范圍）才有近似的線性輸出。討論：1）靈敏度K與極距d0的平方成反比。

d0越小，靈敏度越高。d0過(guò)小，容易引起電容擊穿或短路。

采取的措施：可在極板間放置云母片或其它介電常數(shù)高的材料越小，則越小，即只有在很小時(shí)

在分母中加上dy/εy這一恒定值后，特性的線性度也得到了改善。（2）為了提高靈敏度，減小非線性，常采用差動(dòng)電容式傳感器，如圖5-6所示。

在分母中加上dy/εy這一恒定值后，特性的線性度也得到

中間為動(dòng)片，上下為定片，當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)△d時(shí)，則有（C1、C2的初始電容用C0來(lái)表示）則移動(dòng)△d后中間為動(dòng)片，上下為定片，當(dāng)動(dòng)片向上移動(dòng)△d時(shí)，則有（當(dāng)<<1，所以按級(jí)數(shù)展開(kāi)可寫(xiě)成電容量的變化為略去高次項(xiàng)，則當(dāng)<<1，所以按級(jí)數(shù)展開(kāi)可寫(xiě)成電容量的變化為傳感器的靈敏度為其非線性誤差為

靈敏度較單組變極距型提高了一倍，非線性大大減小。傳感器的靈敏度為其非線性誤差為靈敏度較單組變極距型提高2、變面積型板狀線位移傳感器

如圖5-7所示，當(dāng)動(dòng)極板沿箭頭所示的方向移動(dòng)x時(shí)，其電容量為傳感器的靈敏度為

傳感器的輸出呈線性，增大b減小d0，可提高靈敏度，但是b值的增大受結(jié)構(gòu)的限制。2、變面積型板狀線位移傳感器

而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同時(shí)加工難度加大。

l不能太小，否則邊緣效應(yīng)影響增大，引起非線性。3、變介電常數(shù)型傳感器

當(dāng)電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之改變，根據(jù)這個(gè)原理可構(gòu)成變介電常數(shù)型電容傳感器。如圖5-8所示的電容式液位傳感器就是一種變介電常數(shù)型電容式傳感器。而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。表5-1幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極傳感器的靈敏度為三、

電容式傳感器的等效電路

圖中：C——傳感器電容；

CP——寄生電容；

RP——并聯(lián)損耗電阻，它包括電極間直流電阻和氣隙中介質(zhì)損耗的等效電阻；

L——為傳感器本身的電感及外部引線電感組成；

RS——串聯(lián)損耗電阻，由引線電阻、金屬接線柱電阻及電容極板電阻組成。傳感器的靈敏度為三、電容式傳感器的等效電路圖中：C——

由等效電路可知，傳感器有一諧振頻率，當(dāng)工作頻率等于或接近于諧振頻率時(shí)，電容傳感器將不能正常工作，因此選擇的工作頻率應(yīng)低于諧振頻率，此時(shí)，電容的實(shí)際相對(duì)變化量為由等效電路可知，傳感器有一諧振頻率，當(dāng)工作頻率等于或

電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微小（幾皮法到幾十皮法），這樣小的電容量不便于直接傳輸、記錄和顯示，因此，必須借助于一定的檢測(cè)電路，檢測(cè)出這一微小電容變化量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率，以便進(jìn)行顯示記錄，或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理。1、電橋電路

電橋電路是采用最多的一種測(cè)量電路，有阻容電橋、變壓器電橋、雙T電橋等。四、電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路

電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微?。◣灼しǖ綆资しǎ?，（1）阻容電橋

C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，分別作為電橋的兩個(gè)橋臂。如果是只有一個(gè)電容C1變化的傳感器，則C2應(yīng)配備一固定電容，電橋的另兩個(gè)橋臂是相同的固定電阻。

振蕩器產(chǎn)生一個(gè)等幅高頻交流電壓，加在交流電橋的AC端，為交流電橋提供電源電壓。（1）阻容電橋C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，

BD端為交流電橋的電壓輸出端，交流電橋的輸出電壓是一個(gè)調(diào)幅的載波信號(hào)，其頻率為載波頻率，而幅度受被測(cè)信號(hào)的調(diào)制，此信號(hào)經(jīng)交流放大器放大和相敏檢波后，得到一個(gè)與被測(cè)信號(hào)變化規(guī)律相同的電信號(hào)，該信號(hào)最后經(jīng)低通濾波器去除殘余載波得到輸出電壓。★要求電橋放大器的輸入阻抗很高★一般要求交流電源的頻率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的5-10倍。BD端為交流電橋的電壓輸出端，交流電橋的輸出電壓是一（2）變壓器電橋

圖中C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，分別作為電橋的兩個(gè)橋臂，該橋臂的阻抗。但其電橋的另兩個(gè)橋臂是相同的固定電感，為變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈，顯然這兩個(gè)線圈應(yīng)嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)。（2）變壓器電橋圖中C1和C2是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電電橋的輸出電壓為將阻抗表達(dá)式代入上式得當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，因有則有電橋的輸出電壓為將阻抗表達(dá)式代入上式得當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，2.運(yùn)算放大器式電路1）優(yōu)點(diǎn)：改善單個(gè)變極距型電容式傳感器特性的非線性關(guān)系2）原理：如圖所示2.運(yùn)算放大器式電路1）優(yōu)點(diǎn)：改善單個(gè)變極距型電容式傳感器電路假設(shè)條件：（1）運(yùn)算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大器飽和。（2）放大器的輸入阻抗很高。電路假設(shè)條件：（1）運(yùn)算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大（3）討論①輸出將與動(dòng)極片位移d成線性關(guān)系,但由于放大器增益，輸入阻抗，所以仍有一點(diǎn)非線性誤差。②與電源電壓、固定電容C0及電容式傳感器的ε0、A等有關(guān)，任何這些參數(shù)的波動(dòng)都將使輸出特性產(chǎn)生誤差，因此固定電容C0必須穩(wěn)定，且需要高精度的交流穩(wěn)壓源。③由于電容傳感器的電容小，容抗很高，故傳感器與放大器之間的聯(lián)結(jié)，需要有屏蔽措施。④不適用于差動(dòng)式電容傳感器的測(cè)量。（3）討論②與電源電壓、固定電容C0及電容式五、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、特點(diǎn)：1）溫度穩(wěn)定性好電容值與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)的損耗很小。因此僅需從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械性考慮，合理選擇尺寸即可，本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。（固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短外，又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。4)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有平均效應(yīng)。五、電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。主要缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差寄生電容影響大輸出特性是非線性2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)時(shí)可從以下幾個(gè)方面考慮：

1)減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能；2)消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除和減小它。主要缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)2)消除和減小邊★具體措施有：①減小極間距（適當(dāng)），使極徑與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)，但易產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。②使電極做得很薄。③可以設(shè)置等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。極板間隙保護(hù)環(huán)★具體措施有：極板間隙保護(hù)環(huán)

但應(yīng)該指出，邊緣效應(yīng)所引起的非線性與變極距型電容傳感器原理上的非線性正好相反，因此在一定程度上起了補(bǔ)償作用，但這是犧牲了靈敏度來(lái)改善傳感器的非線性（邊緣效應(yīng)將使靈敏度下降）。3.消除或減小寄生電容的影響寄生電容與傳感器的電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則影響了儀器的精度，必須消除和減小它，可采取：

①增加原始電容值，可減小寄生電容的影響；②注意傳感器的接地和屏蔽；③將傳感器與電子線路的前置放大器裝在一個(gè)殼內(nèi)；④采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)（加放大器）；但應(yīng)該指出，邊緣效應(yīng)所引起的非線性與變極距型電容傳感器

⑤采用運(yùn)算放大器等；⑥整體屏蔽。4.防止和減小外干擾措施：①屏蔽與接地；②增加原始電容值、降低容抗；③導(dǎo)線與導(dǎo)線要離的較遠(yuǎn)；④盡可能一點(diǎn)接地。5.盡量采用差動(dòng)式電容傳感器，可以減小非線性，提高靈敏度，減小寄生電容和減小干擾。⑤采用運(yùn)算放大器等；寄生電容消滅寄生電容的影響，是傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。消滅寄生電容的方法：①驅(qū)動(dòng)電纜法等電位屏蔽法寄生電容消滅寄生電容的影響，是傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。消滅寄生電②整體屏蔽法③采用組合式與集成技術(shù)②整體屏蔽法③采用組合式與集成技術(shù)例1電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用六、電容式傳感器的應(yīng)用例1電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用六、電容式傳感器例2電容式稱(chēng)重傳感器誤差平均效應(yīng)例2電容式稱(chēng)重傳感器誤差平均效應(yīng)例3電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式例3電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式例4電容式加速度傳感器慣性原理例4電容式加速度傳感器慣性原理靈敏度：0.35mV/g/V靈敏度：0.35mV/g/V例5容柵傳感器差動(dòng)變面積型誤差平均效應(yīng)精度：10um范圍：0~150mm例5容柵傳感器差動(dòng)變面積型誤差平均效應(yīng)精度：10um電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元2—信號(hào)處理電路3—襯底4—底層多晶硅（下電極）5—多晶硅懸臂梁6—頂層多晶硅（上電極）硅微加工加速度傳感器原理1—加速度測(cè)試單元

利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)