g电容式传感器PPT课件.ppt

被测机械量↕→电参数↕ 输出 力学量传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一主要种类如下：测量电路2.  力敏传感器力敏传感器l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器2第三节第三节  电容式传感器电容式传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等动态响应时间短、易实现非接触测量等由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。

和成分含量等测量之中电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电电阻、电感和电容容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器3一、一、 工作原理与类型工作原理与类型（一）工作原理（一）工作原理     用用两两块块金金属属平平板板作作电电极极可可构构成成电电容容器器，，当当忽忽略略边边缘缘效效应时，其电容应时，其电容C为为 S—极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；极板间距离；εr—相对介电常数；相对介电常数；ε0 —真空介电常数，真空介电常数，ε0 ＝＝p pF/m；；ε —电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数δδ、、S和和εεr r中中的的某某一一项项或或几几项项有有变变化化时时，，就就改改变变了了电电容容C0 0、、δ或或S的的变变化化可可以以反反映映线线位位移移或或角角位位移移的的变变化化，，也也可可以以间间接接反反映映压压力力、、加加速速度度等等的的变变化化；；εεr r的的变变化化则则可可反反映映液面高度、材料厚度等的变化。

液面高度、材料厚度等的变化 Sδε（二）（二）  类型类型三种基本类型三种基本类型：l变极距变极距(变间隙变间隙)(δ)型型l变面积型变面积型(S)型型l变介电常数变介电常数( r)型型教材表2-3列出了电容式传感器的三种基本结构形式l位移位移：线位移和角位移两种l极极板板形形状状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，另外还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般少用 其中差动式一般优于单组（单边）式差动式灵敏度高、线性范围宽、稳定性高 4补充：求长度为补充：求长度为 l 的柱形电容器的电容的柱形电容器的电容解：解： 设带电量为设带电量为高斯定理：高斯定理：柱形柱形变极距型变极距型变介电常数型变介电常数型变面积型变面积型81 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器         图图中中极极板板1固固定定不不动动，，极极板板2为为可可动动电电极极(动动片片)，，当当动动片片随随被被测测量量变变化化而而移移动动时时，，使使两两极极板板间间距距变变化化，，从从而使电容量产生变化而使电容量产生变化 ，其电容变化量，其电容变化量ΔC为为δ2变极距型电容传感器1C-δC-δ特性曲线特性曲线C0—极距为时的初始电容量。

极距为时的初始电容量 ΔδC0δδδδCΔCΔC特点：原理上有非线性，常用差动式结构改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(电源电压、环境温度)影响，或用适当测量电路改善非线性92 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 变变面面积积型型电电容容传传感感器器中中，，平平板板形形结结构构对对极极距距变变化化特特别别敏敏感感，，测测量量精精度度受受到到影影响响而而圆圆柱柱形形结结构构受受极极板板径径向向变变化化的的影影响响很很小小，，成成为为实实际际中中最最常常采采用用的的结结构构，，其其中线位移单组式的电容量中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径圆筒内半径和内圆柱外半径        当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量时，电容变化量ΔC为为这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性, ,大多用来检测位移等参数大多用来检测位移等参数 103 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变变介介电电常常数数型型电电容容式式传传感感器器大大多多用用来来测测量量电电介介质质的的厚厚度度、、液液位位，，还还可可根根据据极极间间介介质质的的介介电电常常数数随随温温度度、、湿湿度改变而改变来测量介质材料的度改变而改变来测量介质材料的温度温度、、湿度湿度等。

等n若若忽忽略略边边缘缘效效应应，，单单组组式式平平板板形形厚厚度度传传感感器器如如下下图图，，传感器的电容量与被厚度的关系为传感器的电容量与被厚度的关系为 C1C2C3Cεδxδ动动片片厚度测量厚度测量11n若若忽忽略略边边缘缘效效应应，，单单组组式式平平板板形形线线位位移移传传感感器器如如下下图图，，传感器的电容量与被位移的关系为传感器的电容量与被位移的关系为 l平板形C1C2C3CC4 a、、b、、lx: :固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；；δ:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；δx、、εε、、εε0 0: :被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 lx12n若若忽忽略略边边缘缘效效应应，，圆圆筒筒式式液液位位传传感感器器如如下下图图，，传传感感器器的电容量与被液位的关系为的电容量与被液位的关系为 液位传感器hC1CC2可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系成线性关系 2r12r2hx 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示14例：某电容式液位传感器由直径为例：某电容式液位传感器由直径为40mm和和8mm的两个同的两个同心圆柱体组成。

储存灌也是圆柱形，直径为心圆柱体组成储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为被储存液体的被储存液体的εr＝＝计算传感器的最小电容和最大电容计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pF例例2 变变极极距距型型电电容容传传感感器器的的初初始始极极距距为为d0 =1mm，，若若要要求求非非线线性性误差为误差为0.1%，求允许的最大测量距离求允许的最大测量距离解：解：非线性误差：非线性误差：故：故：因此，允许的最大测量距离为：因此，允许的最大测量距离为：2L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；R 由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C 为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容;Rg 是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、     极板与外界间的漏电损耗和介质损耗极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。

二、二、 转换电路转换电路（一）（一）  电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路低频等效电路低频等效电路 •传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和R可忽略；可忽略；•等效电容等效电容C=C0+Cp，，•等效电阻等效电阻Re≈Rg CRg高频等效电路 ¡电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和R不可忽略，不可忽略，漏电的影响可忽略漏电的影响可忽略 ，其中，其中C=C0+Cp，而，而Re≈R ReCL由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变变为为ke，，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化变化而变化 19将将电电容容式式传传感感器器接接入入交交流流电电桥桥的的一一个个臂臂(另另一一个个臂臂为为固固定定电电容容)或或两两个个相相邻邻臂臂，，另另两两个个臂臂可可以以是是电电阻阻或或电电容容或或电电感感，，也也可可是是变变压压器器的的两两个个二二次次线线圈圈。

其其中中另另两两个个臂臂是是紧紧耦耦合合电电感感臂臂的的电电桥桥具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度和和稳稳定定性性，，且且寄寄生生电电容容影影响响极极小小、、大大大大简简化化了了电电桥桥的的屏屏蔽蔽和和接接地地，，适适合合于于高高频频电电源源下下工工作作而而变变压压器器式式电电桥桥使使用用元元件件最最少少，，桥桥路内阻最小，因此目前较多采用路内阻最小，因此目前较多采用二）测量电路（二）测量电路1 1、电桥电路、电桥电路特点特点：：①①高频交流正弦波供电；高频交流正弦波供电； ②②电电桥桥输输出出调调幅幅波波，，要要求求其其电电源源电电压压波波动动极极小小，，需采用稳幅、稳频等措施；需采用稳幅、稳频等措施； ③③通通常常处处于于不不平平衡衡工工作作状状态态，，所所以以传传感感器器必必须须工工作作在在平平衡衡位位置置附附近近，，否否则则电电桥桥非非线线性性增增大大，，且且在在要要求求精精度高的场合应采用自动平衡电桥；度高的场合应采用自动平衡电桥； ④④输输出出阻阻抗抗很很高高( (几几MΩMΩ至至几几十十MΩ)MΩ)，，输输出出电电压压低低，，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。

必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路 20交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式212 2、二极管双、二极管双T T形电路形电路电路原理如图电路原理如图(a)(a)供电电压是幅值为供电电压是幅值为±±UE E、周期为、周期为T、、占空比为占空比为5050％的高频方波若将二极管理想化，则当电％的高频方波若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图( (b b) )其中二极管其中二极管VD1 1导通、导通、VD2 2截止，电容截止，电容C C1 1被以极其短的时被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容间充电、其影响可不予考虑，电容C2 2的电压初始值为的电压初始值为UE E根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2 2的电流的电流iC2C2如下：如下： C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2正半周负半周22同理，负半周时电容同理，负半周时电容C1的平均电流的平均电流:  在［在［R＋（＋（RRL））/ /（（R＋＋RL）］）］C2<

感器 243 3、差动脉冲调宽电路、差动脉冲调宽电路 又称又称差动脉宽差动脉宽( (脉冲宽度脉冲宽度) )调制电路调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传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得到对应被测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量变化的直流信号右图为差动脉冲调宽电路右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中原理图，图中C1、、C2为差为差动式传感器的两个电容，动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；传感器电容初始值相等；A1、、A2是两个比较器，是两个比较器，Ur为其参考电压为其参考电压R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFUr差动脉冲调宽电路G25tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U026UABAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，得到直流电压U U0 0为为 UA A、、UB—A点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量；T1 1、、T2 2 —分别为分别为C1 1和和C2 2的充电时间；的充电时间；U1 1—触发器输出的高电位。

触发器输出的高电位C1 1、、C2 2的充电时间的充电时间T1 1、、T2 2为为 设设R1 1＝＝R2 2＝＝R，则，则 因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比Ur—比较器的参考电压比较器的参考电压27    设设电电容容C1和和C2的的极极间间距距离离和和面面积积分分别别为为    、、   和和S1、、S2，，将将平平行行板板电电容容公公式式代代入入上上式式，，对对差差动动式式变变极极距距型型和和变变面积型面积型电容式传感器可得电容式传感器可得        可可见见差差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路能能适适用用于于任任何何差差动动式式电电容容式式传传感感器器，，并并具具有有理理论论上上的的线线性性特特性性这这是是十十分分可可贵贵的的性性质质在在此此指指出出：：具具有有这这个个特特性性的的电电容容测测量量电电路路还还有有差差动动变变压压器器式式电电容容电电桥桥和和由由二二极极管管T形形电电路路经经改改进进得得到到的的二二极管环形检波电路极管环形检波电路等 另另外外，，差差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路采采用用直直流流电电源源，，其其电电压压稳稳定定度度高高，，不不存存在在稳稳频频、、波波形形纯纯度度的的要要求求，，也也不不需需要要相相敏敏检检波波与与解解调调等等；；对对元元件件无无线线性性要要求求；；经经低低通通滤滤波波器器可可输输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。

出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高 284 4、、 运算放大器式电路运算放大器式电路        其其最最大大特特点点是是能能够够克克服服变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器的的非非线性其原理如图线性其原理如图将将Cx =             代入上式得代入上式得                              -A～～uoCCxu∑运算放大器式运算放大器式 电路原理图电路原理图负负号号表表明明输输出出与与电电源源电电压压反反相相显显然然，，输输出出电电压压与与电电容容极极板板间间距距成成线线性性关关系系，，这这就就从从原原理理上上保保证证了了变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器的的线线性性这这里里是是假假设设放放大大器器开开环环放放大大倍倍数数A=∞A=∞，，输输入入阻阻抗抗Z Zi i=∞=∞，，因因此此仍仍然然存存在在一一定定的的非非线线性性误误差差，，但但一一般般A A和和Z Zi i足足够够大大，，所以这种误差很小所以这种误差很小 29三、三、 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点（一）（一）  主要性能主要性能1 1、、    静态灵敏度静态灵敏度是是被被测测量量缓缓慢慢变变化化时时传传感感器器电电容容变变化化量量与与引引起起其其变变化化的的被测量变化之比。

对于变极距型其静态灵敏度被测量变化之比对于变极距型其静态灵敏度kg为为                                                                         可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化减小而变化减小δδ可以提高灵敏度但可以提高灵敏度但δδ过小易导致电容过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为器击穿（空气的击穿电压为3kV／／mm）可在极间加一）可在极间加一层云母片（其击穿电压大于层云母片（其击穿电压大于 103kV/mm）或塑料膜来改）或塑料膜来改善电容器耐压性能善电容器耐压性能 30灵灵敏敏度度取取决决于于r2/r1，，r2与与r1越越接接近近，，灵灵敏敏度度越越高高虽虽然然内内外外极极筒筒原原始始覆覆盖盖长长度度与与灵灵敏敏度度无无关关，，但但不不可可太太小小，，否否则则边缘效应将影响到传感器的线性边缘效应将影响到传感器的线性     另另外外，，变变极极距距型型和和变变面面积积型型电电容容式式传传感感器器可可采采用用差差动动结结构构形形式式来来提提高高静静态态灵灵敏敏度度，，一一般般提提高高一一倍倍。

例例如如，，对对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为        对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为可见，与单组式相比灵敏度提高了一倍可见，与单组式相比灵敏度提高了一倍变面积型和变介电常数型电容式传感器在忽略变面积型和变介电常数型电容式传感器在忽略边缘效应边缘效应时，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静时，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静态灵敏度为常数态灵敏度为常数31 显显然然，，输输出出电电容容∆C与与被被测测量量之之间间是是非非线线性性关关系系 只只有有当当(∆δδ/ /δδ<<1时时，，略略去去各各非非线线性性项项后后才才能能得得到到近近似似线线性性关关系系为为C＝＝C0(∆δδ/ /δδ)由由于于δδ取取值值不不能能大大，，否否则则将将降降低低灵灵敏敏度度，，因因此此变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器常常工工作作在在一一个个较较小小的的范范围围内内（（1cm至至零零点点几几mm）），，而而且且∆δδ最最大大应应小小于于极板间距极板间距δδ的的1/ /5～～1/ /10。

2 2、非线性、非线性        对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：电容量的变化：32可可见见，，差差动动式式的的非非线线性性得得到到很很大大改改善善，，灵灵敏敏度度也也提提高高了了一倍如如果果电电容容式式传传感感器器输输出出量量采采用用容容抗抗XC=1/(ωC) ，，那那么么被被测测量量∆δδ就就与与∆XC成成线线性性关关系系，，不不需需要要满满足足∆δδ <<δδ这这一一要求了在在忽忽略略边边缘缘效效应应时时，，变变面面积积型型和和变变介介电电常常数数型型（（测测厚厚除除外外））电电容容式式传传感感器器具具有有很很好好的的线线性性，，但但实实际际上上由由于于边边缘缘效效应应引引起起极极板板或或极极筒筒间间电电场场分分布布不不均均匀匀，，导导致致非非线线性性问问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多 采用差动形式，并取两电容之差为输出量采用差动形式，并取两电容之差为输出量∆C33（二）（二）   特点特点1 1．受温度影响极小．受温度影响极小电电容容式式传传感感器器的的电电容容值值仅仅取取决决于于电电极极的的几几何何尺尺寸寸，，一一般般与与电电极极材材料料无无关关，，有有利利于于选选择择温温度度系系数数低低的的材材料料，，又又因因本身发热极小，影响稳定性甚微。

本身发热极小，影响稳定性甚微2 2．结构简单，适应多种场合，具有平均效应．结构简单，适应多种场合，具有平均效应这这种种传传感感器器结结构构简简单单，，易易于于制制造造，，易易于于保保证证高高的的精精度度；；可可做做得得体体积积很很小小，，易易于于实实现现某某些些特特殊殊要要求求的的测测量量；；电电容容式式传传感感器器一一般般用用金金属属作作电电极极、、以以无无机机材材料料作作绝绝缘缘支支承承，，因因此此能能工工作作在在高高温温、、低低温温、、强强辐辐射射及及强强磁磁场场等等恶恶劣劣的的环环境境中中，，可可承承受受很很大大的的温温度度变变化化，，承承受受高高压压力力、、高高冲冲击击、、过过载载等等；；能能测测超超高高压压和和低低压压差差，，也也能能对对带带磁磁工工件件进进行行测测量量当当被被测测试试件件不不允允许许采采用用接接触触测测量量时时，，电电容容传传感感器器可可完完成成测测量量任任务务电电容容式式传传感感器器在在采采用用非非接接触触测测量量时时，，具具有平均效应，可减小工件表面粗糙度等对测量的影响有平均效应，可减小工件表面粗糙度等对测量的影响343 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，，（（约约几几个个10-5N）），，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MHz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化的参数，如测量振动、瞬时压力等变化的参数，如测量振动、瞬时压力等        电电容容式式传传感感器器还还因因带带电电极极板板间间的的静静电电引引力力极极小小，，因因此此所所需需输输入入能能量量极极小小，，所所以以特特别别适适宜宜用用来来测测量量极极低低的的压压力力、、力力和和很很小小的的加加速速度度、、位位移移等等，，可可以以做做得得很很灵灵敏敏，，分分辨辨力力非非常常高高，，能能感感受受甚甚至至更更小小的的位位移移；；由由于于其其空空气气等等介介质质损损耗耗小小，，采采用用差差动动形形式式并并接接入入电电桥桥时时产产生生的的漂漂移移极极小小，，因因此此允允许许电电路路进进行行高高增增益益放放大大，，使使仪仪器器具有很高的灵敏度具有很高的灵敏度35不足：不足：1 1．负载能力差．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106～～108ΩΩ。

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用带带来来不不便便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MΩMΩ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影响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容影影响响加加大大，，难以保证工作稳定难以保证工作稳定 362 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～～2m导导线线可可达达800pF)、、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构成成的的电电容容等等““寄寄生生电电容容””却却较较大大，，①①降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度；；②②这这些些电电容容(如如电电缆缆电电容容)常常常常是是随随机机变变化化的的，，将将使使传传感感器器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，，致使传感器无法工作。

因此对电缆选择、安装、接法有要求致使传感器无法工作因此对电缆选择、安装、接法有要求3 3、输出特性非线性、输出特性非线性   变变极极距距型型电电容容传传感感器器的的输输出出特特性性是是非非线线性性的的，，虽虽可可采采用用差差动动结结构构来来改改善善，，但但不不可可能能完完全全消消除除其其他他类类型型的的电电容容传传感感器器只只有有忽忽略略了了电电场场的的边边缘缘效效应应时时，，输输出出特特性性才才呈呈线线性性否否则则边边缘缘效效应应所所产产生生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性 随随着着材材料料、、工工艺艺、、电电子子技技术术，，特特别别是是集集成成电电路路的的高高速速发发展展，，使使电电容容式式传传感感器器的的优优点点得得到到发发扬扬而而缺缺点点不不断断得得到到克克服服电电容容传传感感器器正正逐逐渐渐成成为为一一种种高高灵灵敏敏度度、、高高精精度度，，在在动动态态、、低低压压及及一一些些特特殊殊测量方面大有发展前途的传感器测量方面大有发展前途的传感器 37（三）（三）   设计时应考虑的因素设计时应考虑的因素电电容容式式传传感感器器所所具具有有的的高高灵灵敏敏度度、、高高精精度度等等独独特特的的优优点点是是与与其其正正确确设设计计、、选选材材以以及及精精细细的的加加工工工工艺艺分分不不开开的的。

在在设设计计传传感感器器的的过过程程中中，，在在所所要要求求的的量量程程、、温温度度和和压压力力等等范范围围内内，，应应尽尽量量使使它它具具有有低低成成本本、、高高精精度度、、高高分分辨辨力力、、稳定可靠和高的频率响应等稳定可靠和高的频率响应等1 1．．减减小小环环境境温温度度、、湿湿度度的的影影响响，，保保证证绝绝缘缘材材料料的性能的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阻值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温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能 38     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效应极为有利。

缘效应极为有利        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、、防防潮潮若若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，，则则可可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，，并并在在高高温温下下可可减减少少表表面面损损耗耗、、降降低低温温度度系系数数，，但成本较高但成本较高 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绝缘性能，可以考虑选用。

的绝缘性能，可以考虑选用 39        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，，但无法完全消除但无法完全消除        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电路路(如如电电桥桥)来来减减小小温温度度等误差                 选选用用50kHz至至几几MHz作作为为电电容容传传感感器器的的电电源源频频率率，，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求 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降传传感感器器的的壳壳体体刚刚性性要要好好，，以以免免安安装装时时变变形 402 2．消除和减小电容电场的边缘效应．消除和减小电容电场的边缘效应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，，但但易易产产生生击击穿穿并并有有可可能能限限制制测测量量范范围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小，，这这样样也也可可减减小小边边缘缘电电场场的的影影响响此此外外，，可可在在结结构构上上增增设设等等位位环环来消除边缘效应来消除边缘效应带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场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的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用41 （（1 1）适当增大传感器原始电容值）适当增大传感器原始电容值　　 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，，圆圆筒筒式式间间距距为为) )，，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 10- -3—103 pF范范围围内，相对值变化在内，相对值变化在 10- -6—1范围内  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，，必须消除和减小它可采用方法：必须消除和减小它可采用方法： 3 3．减小寄生电容的影响．减小寄生电容的影响（（1 1）适当增大传感器原始电容值）适当增大传感器原始电容值（（2 2）采用适当接地方法和屏蔽措施）采用适当接地方法和屏蔽措施（（3 3）将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内）将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内（（4 4）采用）采用“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（（5 5）采用运算放大器法）采用运算放大器法42 （（2 2）采用适当接地方法和屏蔽措施）采用适当接地方法和屏蔽措施　　　　        图图为为采采用用接接地地屏屏蔽蔽的的圆圆筒筒形形电电容容式式传传感感器器图图中中可可动动极极筒筒与与连连杆杆固固定定在在一一起起随随被被测测量量移移动动可可动动极极筒筒与与传传感感器器的的屏屏蔽蔽壳壳（（良良导导体体））同同为为地地，，因因此此当当可可动动极极筒筒移移动动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从从而而消消除除了了由由此此产产生生的虚假信号。

的虚假信号 引引线线电电缆缆也也必必须须屏屏蔽蔽在在传传感感器器屏屏蔽蔽壳壳内内为为减减小小电电缆缆电电容容的的影影响响，，应应尽尽可可能能使使用用短短而而粗粗的的电电缆缆线线，，缩缩短短传传感感器器至至电电路路前前置级的距离置级的距离 绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图43整体屏蔽法整体屏蔽法　　　　        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止外外界界的的干干扰扰下下图图是是差差动动电电容容式式传传感感器器交交流流电电桥桥所所采采用用的的整整体体屏屏蔽蔽系系统统，，屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在两固定辅助阻抗臂在两固定辅助阻抗臂 Z3和和Z4中间，使电缆芯线与其屏蔽中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容层之间的寄生电容CP1和和CP2分别与分别与Z3和和Z4相并联如果相并联如果Z3和和Z4比比CP1和和CP2的容抗的容抗小得多，则寄生电容小得多，则寄生电容CP1和和CP2对电桥平衡对电桥平衡状态的影响就很小。

状态的影响就很小～～交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A44       最最易易满满足足上上述述要要求求的的是是变变压压器器电电桥桥，，这这时时Z3和和Z4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Z3和和Z4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Z3和和Z4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，，Z3和和Z4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Cpl和和Cp2对对Z3和和Z4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而不致影响交流电桥的平衡度而不致影响交流电桥的平衡        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C1和和C2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，，因因此此在在电缆线长达电缆线长达10m以上时仍能测出以上时仍能测出 1pF的电容。

的电容 电电容容式式传传感感器器的的原原始始电电容容值值较较大大（（几几百百pF））时时，，只只要要选选择择适适当当的的接接地地点点仍仍可可采采用用一一般般的的同同轴轴屏屏蔽蔽电电缆缆电电缆长达缆长达10m时，传感器也能正常工作时，传感器也能正常工作 45 （（3 3））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体内壳体内　　　　 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元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用  （（4 4）采用）采用“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　　　　 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”技技术术。

传传感感器器与与测测量量电电路路前前置置级级间间的的引引线线为为双双屏屏蔽蔽层层电电缆缆，，其其内内屏屏蔽蔽层层与与信信号号传传输输线线( (即即电电缆缆芯芯线线) )通通过过1:11:1放放大大器器成成为为等等电电位位，，从从而而消消除除了了芯芯线线与与内内屏屏蔽蔽层层之之间间的的电电容容由由于于屏屏蔽蔽线线上上有有随随传传感感器器输输出出信信号号变变化化而而变变化化的的电电压压，，因因此此称称为为“驱驱动动电电缆缆”采采用用这这种种技技术术可可使使电电缆缆线线长长达达10m10m之之远远也也不不影影响响仪仪器器的的性性能能，，如如图 46外外屏屏蔽蔽层层接接大大地地或或接接仪仪器器地地，，用用来来防防止止外外界界电电场场的的干干扰扰内内外外屏屏蔽蔽层层之之间间的的电电容容是是1:1放放大大器器的的负负载载1:1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( (准准确确度度要要求求达达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1:1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的电电容容值值小小于于1pF时时，，也也能能正正常常工作。

工作 1：1＋－测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图 当电容式传感器当电容式传感器的初始电容值很大的初始电容值很大( (几百几百µF F) )时，只要时，只要选择适当的接地点选择适当的接地点仍可采用一般的同仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆轴屏蔽电缆，电缆可以长达可以长达10m10m，仪，仪器仍能正常工作器仍能正常工作 47（（5 5）采用运算放大器法）采用运算放大器法　　　　 下下图图是是利利用用运运算算放放大大器器的的虚虚地地来来减减小小引引线线电电缆缆寄寄生生电电容容CP的的原原理理图图图图中中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Σ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Cp/(/(1＋＋A) )，，因因而而大大大大地地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值值可可保保证证所所需需的测量精度的测量精度A～～uoCCxu∑利用运算放大器式电路虚地点减小电缆电容原理图485 5．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误差和故障防止和减小干扰的措施归纳为：来误差和故障防止和减小干扰的措施归纳为：   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；；传传感感器器与与测测量量电电路路前置级等等。

前置级等等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排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线角排列，若必须平行排列时，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要用用粗粗的的良良导导体或宽印制线体或宽印制线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灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差 49四、电容式传感器的应用举例应用四、电容式传感器的应用举例应用1 1．电容式压力传感器．电容式压力传感器• 当当PH=PLPH=PL时，膜片处于中间位置，时，膜片处于中间位置，C1=C2C1=C2；；• 当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH > PLPH > PL时，膜片时，膜片PLPL向弯曲，向弯曲，C1C2C1>C2；；• 将这种电容变化通过电路转换为电压变化将这种电容变化通过电路转换为电压变化 502 2. .电容式料位计电容式料位计 Ø 用于水泥、化工、罐装用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：等传感器静电容：513.加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用  加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。

当测得加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器当测得的负加速度值超过设定值时，的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰微处理器据此判断发生了碰 撞，撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部驾驶员及前排乘员的胸部和头部 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊52汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气经控制系统使气囊迅速充气  53汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用541、、为为什什么么变变极极距距型型电电容容传传感感器器的的灵灵敏敏度度和和非非线线性性是是矛矛盾盾的的？？实实际应用中怎样解决这一问题？际应用中怎样解决这一问题？2 有有一一变变极极距距型型电电容容传传感感器器，，两两极极板板的的重重合合面面积积为为8cm2，，两两极极板板间间的的距距离离为为1mm，，极极板板间间介介质质为为空空气气已已知知空空气气的的相相对对介介电电常常数数为，试计算该传感器的位移灵敏度。

为，试计算该传感器的位移灵敏度3、、一一电电容容测测微微仪仪，，其其传传感感器器的的圆圆形形极极板板半半径径r=4mm，，工工作作初初始始间隙间隙δ，问：，问：      （（1））工工作作时时，，如如果果传传感感器器与与工工作作的的间间隙隙变变化化量量Δδ =±1±1µm m时时，，电容变化量是多少？电容变化量是多少？      （（2））如如果果测测量量电电路路的的灵灵敏敏度度S1=100mV/pF，，读读数数仪仪表表的的灵灵敏敏度度S2=5格格/mV，在，在Δδ =±1±1µm m时，时，读数仪表的指示值变化多少格？读数仪表的指示值变化多少格？作业。