第5章電容式傳感器測(cè)量電路1.2第5章電容式傳感器基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特性5.15.2誤差分析5.3電容式傳感器的應(yīng)用5.4電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作，這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使它揚(yáng)長(zhǎng)避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù)，初始極距為d

，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可知其初始電容量C0為一、變間距型電容傳感器

變極距型電容傳感器原理圖當(dāng)可動(dòng)極板向下移動(dòng)Δd

時(shí)，電容量變?yōu)?/p>

電容的變化量為

第5章電容式傳感器負(fù)號(hào)表示：電容的變化是隨著兩極板間距的增大而減小的。電容的相對(duì)變化量靈敏度變間距型電容傳感器的電容C隨間距的變化是非線性的。如果滿足條件(Δd/d)<<1，則可按級(jí)數(shù)展開(kāi)成

第5章電容式傳感器誤差允許范圍內(nèi)，略去高次(非線性)項(xiàng)，則

近似呈線性關(guān)系靈敏度第5章電容式傳感器

①變極距型電容傳感器只有在|Δd/d|很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線性輸出；②欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，但d的減小，一是將增大非線性，二是也會(huì)受到電容器擊穿電壓的影響；③為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。動(dòng)極板置于兩定極板之間，初始位置時(shí)，d1＝d2＝d，兩邊初始電容相等。當(dāng)動(dòng)板向上移△d

時(shí)，兩邊極距變化為:第5章電容式傳感器按級(jí)數(shù)展開(kāi)：電容總的變化量為：

靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。電容值相對(duì)變化量為忽略高次項(xiàng)，則此電容傳感器的線性關(guān)系近似為：靈敏度其相對(duì)非線性誤差第5章電容式傳感器①增大介電常數(shù)、極板邊長(zhǎng)b或減小極板間距d，都可以提高傳感器的靈敏度；②極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大；③△X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。

第5章電容式傳感器

變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。為了提高靈敏度和克服極板的邊緣效應(yīng)，改善非線性?？刹捎萌鐖D所示的差動(dòng)式變面積型傳感器。該傳感器有三個(gè)極板，上面的為可動(dòng)電極，也是公共電極，它與兩個(gè)固定電極分別電容

C1和C2，當(dāng)可動(dòng)電極向右（或向左）移動(dòng)時(shí)，電容C1減?。ɑ蛟黾樱?，而電容C2增加（或減小），差動(dòng)輸出，提高了靈敏度，非線性得到改善。

被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的介質(zhì)高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。 ε1－液體介質(zhì)介電常數(shù)；

ε0－空氣中介電常數(shù)（F/m）；

h－電極板總長(zhǎng)度（m）；

r－內(nèi)電極板外徑（m）；

R－外電極板內(nèi)徑（m）；

x－液面高度（m）。

可見(jiàn)，輸出電容C與液面高度x

成線性關(guān)系。液面高度置于某儲(chǔ)存罐的電容式液位傳感器由半徑為20mm和4mm的兩個(gè)同心圓柱體組成，并與儲(chǔ)存罐等高。儲(chǔ)存罐也是圓柱形，半徑為25cm，高為1.2m，被儲(chǔ)存液體的εr=2.1。試計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及傳感器用在該儲(chǔ)存罐內(nèi)的靈敏度。解：當(dāng)被測(cè)液位為零時(shí)，傳感器電容最小，即有同理，當(dāng)被測(cè)液位高度最大，即h=H=1.2m時(shí)傳感器電容最大，即有儲(chǔ)存罐的容積為故傳感器的靈敏度為

有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。

(一)交流電橋測(cè)量電路一、調(diào)幅測(cè)量電路

電橋初始處于平衡狀態(tài)，且輸出端開(kāi)路，有當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，將引起阻抗Z1變化ΔZ，于是電橋失去平衡，輸出電壓為將電橋平衡條件Z1Z4=Z2Z3代入，設(shè)橋臂比Z1/Z2=n，并考慮到ΔZ《Z，得—電橋的橋臂系數(shù)—傳感器阻抗相對(duì)變化率電橋電路為了橋路平衡,四個(gè)橋臂中必須接入兩個(gè)電容，另外兩個(gè)橋臂接入其他類阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感、或兩個(gè)電容。

C為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高(Zi→∞)，因此可視作理想運(yùn)算放大器。C0為一固定電容(二)運(yùn)算放大器測(cè)量電路整理得如果傳感器的電容式由平行板構(gòu)成，則二、調(diào)頻測(cè)量電路

CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器高頻振蕩回路的振蕩頻率傳感器起始電容引線分布電容振蕩回路固定電容當(dāng)被測(cè)量沒(méi)有變化時(shí)，當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)，振蕩器頻率隨之有個(gè)相應(yīng)的改變量Δf，稱為頻偏。整理得可見(jiàn)當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容發(fā)生改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率f也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)了由電容到頻率的轉(zhuǎn)換。

在測(cè)量電路中，伴隨頻率的改變，振蕩器輸出幅值往往也會(huì)改變，為克服后者，在振蕩器之后要加限幅環(huán)節(jié)。設(shè)R1＝R2＝R，則

說(shuō)明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對(duì)于差動(dòng)電容改變△d

→(C1≠C2)對(duì)于差動(dòng)電容改變極板面積說(shuō)明：差動(dòng)脈寬調(diào)制電路，無(wú)論是改變平板電容器的極板面積還是

極板間距，電容器變化量與輸出量成線性關(guān)系。電容式傳感器可見(jiàn)：1）差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性；

2）該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；

3）對(duì)元件沒(méi)有線性要求；

4）經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。以上這些特點(diǎn)都是其他電容測(cè)量線路所無(wú)法比擬的。第三節(jié)電容式傳感器的誤差分析一、等效電路

圖中C為傳感器電容，

Rp為損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；

Rs為引線、極板、金屬支座等引起的的串聯(lián)損耗電阻；

Ls為電流回路的總電感；

Cp為寄生電容，分析可視為含于傳感器電容C中。在電容器的各種損耗、電場(chǎng)邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等因素不可忽略時(shí)，其等效阻抗由于傳感器并聯(lián)電阻Rp一般都很大，

Rs又相對(duì)較小，因而簡(jiǎn)化后可得等效電容則電容的實(shí)際相對(duì)變化量為兩點(diǎn)注意：1.工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該先擇低于諧振頻率。2.電容式傳感器的有效電容除與位移有關(guān)外，還與角頻率有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定的條件（ω）相同。電容式傳感器二、溫度的影響

環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個(gè)方面：溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響溫度對(duì)介質(zhì)（介電常數(shù)）的影響電容式傳感器1、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響

電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙發(fā)生較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為了減小這種誤差，在制造電容式傳感器時(shí)，可以選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來(lái)，采用在陶瓷或石英上噴涂一層金屬作為電極，效果更好。電容式傳感器2、溫度對(duì)介電常數(shù)的影響

溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)溫度系數(shù)可達(dá)0.07％/℃；若環(huán)境溫度變化±50℃，則將帶來(lái)7％的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。電容式傳感器三、邊緣效應(yīng)電容器兩極板間的電場(chǎng)在中心部分的分布均勻，邊緣部分的分布不均勻適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。+-電容式傳感器四、寄生電容的影響

電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小(pF到幾十pF)，而其引線電纜電容(l～2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎](méi)有用信號(hào)而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。消除寄生與分布電容的影響，一是可從改善傳感器結(jié)構(gòu)和尺寸下手，即增加初始電容值，使寄生與分布電容對(duì)傳感器的影響減小。二是使用各種屏蔽技術(shù)。第四節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)電容式壓力傳感器電容式傳感器電容式加速度傳感器差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖電容式傳感器電容式加速度傳感器

當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，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汽車氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。電容式傳感器電容式傳感器汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用

電容測(cè)厚傳感器是用來(lái)對(duì)金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度的檢測(cè)，其工作原理是在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來(lái)成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1+C2

，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。電容式傳感器電容式測(cè)厚傳感器電容式液位計(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)電液體之間電容變大。

聚四氟乙烯外套電容式傳感器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)。電容式傳感器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)定按鈕電容式傳感器電容式接近開(kāi)關(guān)

被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。

電容式傳感器電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用全密封防水