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1、 第四章 电容式传感器 1电容传感器工作原理 2电容传感器性能分析 3 电容传感器测量电路 4 电容传感器的应用 电容传感器是将被测量转换成电容量的测量装置，它与电阻传感器 和电感传感器相比，具有如下优点： 测量范围大，C/C 可达100%； 灵敏度高，相对变化量可达10-7； 动态响应时间短，可动部分质量小，固有频 率高； 结构简单、适应性强。 第一节 电容传感器工作原理 电容量C 的变化决定于参数S、d 和，因而有三种基本 类型的电容传感器。 d S ：介质介电常数 r极板间介质的相对介电常数 0真空的介电常数 =8.8510-12F/m S ：极板面积 d ：极板间距离 一、变极板间距离
2、（d）型 n结构类型 1、变极距型电容式传感器 电容微位移计 极板1固定不动的 极板2沿间隙方向平行位移 S 1定 极板 2动 极板 ：极板间介质介电常数 0：真空介电常数 r ：极板间介质相对介电常数 ：极板间距离 S ：极板面积 进行微位移测量时，Xd0（工程中一般取 X/d0=0.020.1），则上式具有近似的线性关系 设初始两极板间的距离为d0 ，此时电容量为 , 当极板2沿极板垂直方向移动X ： 两极板间距离为 d =d0X（极板2上移时，X 0；下移时X0），则电容量为 特性分析： 灵敏度和非线性 误差？ n为了提高传感器的灵敏度，减小初始极间距，在两极 板之间加绝缘介质（如云母片
3、），提高耐击穿电压 (1000kv/mm:3kv/mm)。如图 v非线性误差随着d0的减小而增大 v为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移 量。通常规定测量范围 XUf时，UNUf 时，UMT2； 反之，C1减小，则C2增加，T1T2 C1增加，C2减小的波形如左图 （1）变d 型 对于变d 型差动电容传感器，传感电容的大小与极 间距离d 成反比，即对应于 C1= C +C ，C2= C C 时 d1= d d ，d2=d +d 。 此时差动输出电压平均值可改写为 无论论是变变d 型或变变S 型差动电动电 容传传感器，差动动脉冲调宽调宽 电电路输输出电压电压 与变变化量C（d 或S）之间间有
4、着一一对对 应应的线线性关系，而与脉冲调宽频调宽频 率的变变化无关，且对输对输 出矩形波纯纯度要求不高，这对电这对电 容传传感器测测量电电路十分 重要的 （2）变S型 对于变S 型差动电容传感器，传感电容的大小与极 板的有效面积S 成正比，即对应于C1=C +C ，C2=C C 时，S1=S +S，S2=SS ，此时差动输出电压平 均值可改写为 四、运算放大器测量电路 Cx为传感电容 C0为固定电容 理想情况下： 运放的输入阻抗很大，增益 也很大 可得： 输出信号与输入信号源电压、固定电容和传感电容的参数有关 故要求： 1、信号源ui必须采取稳压措施； 2、固定电容C0必须稳定。 代入Cx的公
5、式，则输出电压与d是线性关系 五、二极管双T形交流电桥 线路简单，不需要附加其他相敏整流电路 第四章 电容式传感器 六、环行二极管冲放电法 第三节 电容传感器的应用 电容传感器不但应用领域广、环境适应性好，而且检测的精度 和灵敏度高。这些优点不但与组成电容传感器的材料性质和结构尺 寸有关，还与电容传感器的正确应用有关，在应用中应该注意以下 几个问题。 一、误差分析 电容传感器作为高精度检测装置，某些微量因素的变化亦可能 引入测量误差，如温度、电场的边缘效应、寄生电容等。 1温度影响 温度主要影响传感器的结构尺寸,致使极板有效面积和厚度发生变化。 温度对电容器极板间某些介质的介电常数也有一定的影
6、响。空气和云母的介 电常数基本不受温度影响。而硅油、煤油等液体介质的介电常数是随温度的升高 而减小的，这种变化引入的误差只有在测量电路中进行补偿。 温度还可能影响到电容器极板支承架的电绝缘性能。 2电场的边缘效应 电容器极板周边的极间电场分布不均匀，称之为边缘 效应。此边缘效应使电容传感器测量精度下降、非线性上 升，当检测精度要求很高时，可考虑加装等位环 3寄生电容的影响 电容传感器的电容值通常很小，测量电路若处理不当 ，其寄生电容有可能大于传感器电容，使电容传感器无法 工作。 （1）减小引线长度 尽量减小电容器极板引出线的长度，且不要平行布线 ；在可能的情况下，将电容传感器与测量电路集成为一体 ，这样既可以减小寄生电容，同时可使寄生电容量基本不 变。 （2）屏蔽电容器 可将电容和测量电路整体屏蔽，并保证屏蔽体有效接地。 二、灵敏度的提高 电容传感器的电容量很小，一般为几PF至几十PF，任 何微小的测量误差都可能使电容传
