电容式传感器传感器原理及应用

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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器第4章 电容式传感器 Capacitive Sensors免费免费免费免费!武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器绪绪论论电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。将被测物理量的变化转换为电容量的变化。特点特点：（1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2 2）小的静电引力和良好的动态特性。）小的静电引力和良好的动态特性。（3 3）本身发热影响小。）本身发热影响小。（

2、4 4）可进行非接触测量。）可进行非接触测量。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。度和成分含量等测量之中。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和特性电容式传感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 工作原理及类型工作原理及类型电容式容式传感器由敏感元件和感器由敏感元件和转换元件元件为一体的一体的电容量可容量可变的的电容容器和器和测量量电路路组成，其成，其变量量间的的转换关系原理如关系原理如图所示。所示。由物理学可知，当忽略由物

3、理学可知，当忽略电容器容器边缘效效应时，对图示平行极板示平行极板电容容器，器，电容量容量为+Srd_武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器可可见见：在在S、d、三三个个参参量量中中，改改变变其其中中任任意意一一个个量量，均均可可使使电电容容量量C改改变变。也也就就是是说说，如如果果被被检检测测参参数数( (如如位位移移、压压力力、液液位位等等) )的的变变化化引引起起S、d、三三个个参参量量中中之之一一发发生生变变化化，就就可可利利用用相相应应的的电电容容量量的的改改变变实实现现参参数数测测量量。据据此此，电电容容式式传传感感器可分为以下三大类

4、：器可分为以下三大类：(1) (1) 极距变化型电容传感器；极距变化型电容传感器；(2) (2) 面积变化型电容传感器；面积变化型电容传感器；(3) (3) 介质变化型电容传感器。介质变化型电容传感器。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1.24.1.2电容传感器特性分析电容传感器特性分析1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器设初始电容为：设初始电容为：当间隙当间隙d d0 0减小减小dd时时, ,则电容量增大则电容量增大C C，则：，则：电容的相容的相对变化化为：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容

5、式传感器电容式传感器当当 时，将上式按泰勒级数展开，得：时，将上式按泰勒级数展开，得：可可见见，电电容容C C的的相相对对变变化化与与位位移移之之间间呈呈现现的的是是一一种种非非线线性性关关系系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：电容传感器的静态灵敏度为电容传感器的静态灵敏度为灵敏度随极板间灵敏度随极板间距的减小而增大距的减小而增大武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器如如果果只只考考虑虑二二次次非非线线性性项项，忽忽略略其其它它高高次次项项，则则得得非非线线性误差：性误差：

6、 由由以以上上分分析析可可知知：变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器只只有有在在d/d0很很小小时时，才才有有近近似似的的线性输出。线性输出。 Cdd d0 0ddC1 1C2 2C1 1C2 2如如图图，极极距距变变化化相相同同值值d所所对对应应的的电电容容变变化化量量不同不同非线性随极板间距非线性随极板间距的减小而增大的减小而增大武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为为了了提提高高灵灵敏敏度度和和减减小小非非线线性性，以以及及克克服服某某些些外外界界条条件件如如电电源源电电压压、环环境境温温度度变变化化的的影影响响，常常采采用用差差动

7、动式式的的电电容容传传感感器器，其原理结构如图所示。其原理结构如图所示。 工作工作时差差动电容器容器总电容容变化化为： 当当 时，将上式按泰勒级数展开，得：时，将上式按泰勒级数展开，得：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器略去非略去非线性高次性高次项，得：，得：变极距差极距差动电容式容式传感器的灵敏度感器的灵敏度KK为 变极距差极距差动电容容传感器的非感器的非线性性误差差 L近似近似为 可可见见，电电容容式式传传感感器器做做成成差差动动式式结结构构后后，非非线线性性误误差差大大大大降降低低了了，而而灵灵敏敏度度比比单单极极距距电电容容传传感感

8、器器提提高高了了一一倍倍。与与此此同同时时，差差动动式式电电容容传传感感器器还还能能减减小小静静电电引引力力给给测测量量带带来来的的影影响响，并并有有效效的改善由于环境影响所造成的误差。的改善由于环境影响所造成的误差。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.2.变面积的电容式传感器变面积的电容式传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （1 1）用于线位移测量的电容式传感器）用于线位移测量的电容式传感

9、器当当动动极极板板移移动动后后, ,极极板板相相对对有有效效面面积发生变化，对应的电容值为：积发生变化，对应的电容值为：灵敏度：灵敏度：灵敏度为常数灵敏度为常数武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响测量精度受到影响, ,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。成为实际中最常采用的结构。其其电容容计算式算式为： 当重叠当重叠长度度x x变化化时，电容量容量变化化为：灵

10、敏度灵敏度为： 可可见，其，其输出与出与输入成入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，化型相比，圆柱式柱式电容容传感器灵敏度感器灵敏度较低，但其低，但其测量范量范围更大。更大。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（2 2）用于角位移测量的电容式传感器）用于角位移测量的电容式传感器当当动片有一角位移片有一角位移 时，两极板，两极板间的覆盖面的覆盖面积就就改改变，从而改，从而改变了了电容量。容量。 当当转动 角角时， 当当 =0=0时，时，灵敏度：灵敏度：角角位位移移式式电电容容传传感感器器的的输输出出特特性

11、是线性的，灵敏度性是线性的，灵敏度K K为常数。为常数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器3.3.变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 电容式液位传感器结构原理图与等效电路电容式液位传感器结构原理图与等效电路 电容式液位传感器电容式液位传感器图示同示同轴圆柱形柱形电容器的初始容器的初始电容容为:测量量时，电容器的介容器的介质一部分是被一部分是被测液位的液体，一部分是空气。液位的液体，一部分是空气。设C C1 1为液体有效高度液体有效高度h hx x形成的形成的电容，容，C C2 2为空气高度（空气高度（h-hh-hx x）形成的）形成的

12、电容，容，则：由于由于C C1 1和和C C2 2为并联，所以总电容为为并联，所以总电容为: :武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器可见，电容可见，电容C理论上与液面高度理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电成线性关系，只要测出传感器电容容C的大小，就可得到液位高度。的大小，就可得到液位高度。另一种另一种测量介量介质介介电常数常数变化的化的电容式容式传感器感器结构如构如图。设电容器极容器极板面板面积为S S，间隙隙为a a，当有一厚度，当有一厚度为d d，相，相对介介电常数常数为 r r的固体介的固体介质通通过极板极板间隙，相当于隙

13、，相当于电容串容串联，因此因此电容器的容器的电容容值为： 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（1)1)若改若改变固体介固体介质的相的相对介介电常数常数 ， 则有有电容量的相容量的相对变化化为: :其中，其中， ，为灵敏度因子，随灵敏度因子，随间隙比隙比d/(a-d)增大增大为非非线性因子，随性因子，随间隙比隙比d/(a-d)增大而减小。增大而减小。而增大；而增大；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（2 2）若）若传感器保持感器保持 r r不不变，改，改变介介质厚度，厚度，则可用于可用于测

14、量介量介质厚度厚度变化，此化，此时其中，其中，为灵敏度因子和非灵敏度因子和非线性因子。性因子。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（3 3）若被）若被测介介质充充满两极板两极板间，则d d=a=a，此，此时初始初始电容容为，则， , ,即即若若可可见，与与 r r 成成线性关系。性关系。测量液体介量液体介质介介电常数的常数的变化即属此情况，化即属此情况，如如测原油含水率。原油含水率。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.2 4.2 电容式传感器的特点及设计要点电容式传感器的特点及设计要点

15、(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，因因此此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即即可可，其其他他因因素素( (因因本本身身发发热热极极小小) ) 影影响响甚甚微微。而而电电阻阻式式传传感感器器有有电电阻阻，供供电电后后产产生生热热量量；电电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。1.1.电容式传感

16、器的优点电容式传感器的优点(2)(2)结构简单，适应性强结构简单，适应性强 电电容容式式传传感感器器结结构构简简单单，易易于于制制造造。能能在在高高低低温温、强强辐辐射射及及强强磁磁场场等等各各种种恶恶劣劣的的环环境境条条件件下下工工作作，适适应应能能力力强强，尤尤其其可可以以承承受受很很大大的的温温度度变变化化，在在高高压压力力、高高冲冲击击、过过载载等等情情况况下下都都能能正正常常工工作作，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。此此外外传传感感器器可可以以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。4.2

17、.1 4.2.1 电容传感器的特点电容传感器的特点武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （3 3）静电引力小）静电引力小 电电容容传传感感器器两两极极板板间间存存在在着着静静电电场场，因因此此极极板板上上作作用用着着静静电电引引力力或或静静电电力力矩矩。静静电电引引力力的的大大小小与与极极板板间间的的工工作作电电压压、介介电电常常数数、极极间间距距离离有有关关。一一般般说说来来，这这种种静静电电引引力力是是很很小小的的，因因此此只只有有对对推推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力造成的测量误差。动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力

18、造成的测量误差。 (4)(4)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10-10-5N5N），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量高速变化的参数，如测量

19、振动、瞬时压力等。测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 (5) (5)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 当当被被测测件件不不能能允允许许采采用用接接触触测测量量的的情情况况下下, ,电电容容传传感感器器可可以以完完成成测测量量任任务务。当当采采用用非非接接触触测测量量时时, ,电电容容式式传传感感器器具具有有平平均均效效应应, ,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电电容容式式传传感感器器除除上上述述优优点点之之外外，还还因因

20、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低低能能量量输输入入的的测测量量，例例如如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敏，分辨力非常高，能感受灵敏，分辨力非常高，能感受0.0010.001m m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 (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，

21、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

22、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，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。 2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 (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

23、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的附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。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

24、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测量量方方面大有发展前途的传感器。面大有发展前途的传感器。 (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800pF)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，降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度；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

25、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，致致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.2.2 4.2.2 电容传感器设计要点电容传感器设计要点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

26、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成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。 1. 1.消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应边边缘缘效效应应造造成成边边缘缘电电场场产产生生畸畸变变，使使工工作作不不稳稳，非非线线性性误误差差也也增增加加。为为了了消消除除边边缘缘效效应应的的影影响响，在在结结构构设设计计时时，可可以以采采用用带带有有保保护护环环的的结构，如图所示。结构，如图所示。（a a）消除边沿效应原理图）消除边沿效应原理图 （b b）

27、带保护环的电容传感器结构）带保护环的电容传感器结构武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 2. 2.提高结构设计中的绝缘性能提高结构设计中的绝缘性能 减减小小环环境境温温度度、湿湿度度等等变变化化所所产产生生的的误误差差, ,以以保保证证绝绝缘缘材材料料的的绝绝缘缘性性能能, ,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

28、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小温温度度等等误误差差和和保保证证绝绝缘缘材料具有高的绝缘性能。材料具有高的绝缘性能。 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，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。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

29、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少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 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

30、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的绝缘性能，可以考虑选用。好的绝缘性能，可以考虑选用。 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

31、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以补偿，但无法完全消除。加以补偿，但无法完全消除。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器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些类型的测量电路某些类型的测量电路( (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50kH

32、z50kHz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绝缘部分的绝缘要求。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。传传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。 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影响响仪仪器器的的精精度度

33、，必必须须消消除除和和减减小小它它。可可采采用方法：用方法： 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武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （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0.20.5mm，圆圆筒筒式式间间距距为为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。一般电容值变

34、化在一般电容值变化在 10-3103pF范围内，相对值变化在范围内，相对值变化在 10-61范围内。范围内。（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；（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图图为为采采用用接接地地屏屏蔽蔽的的

35、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时，固固定定极极筒筒与与屏屏蔽蔽壳壳之间的电容值将保持不变，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的虚假信号。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路前置级的距离。电路前置级

36、的距离。 绝缘体绝缘体屏蔽壳屏蔽壳固定极筒固定极筒可动极筒可动极筒连杆连杆导杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 （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

37、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术可使电缆线长达技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能，如图。之远也不影响仪器的性能，如图。 （3 3）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

38、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、低温或环境差的场合使用。低温或环境差的场合使用。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器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1:11:1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

39、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1/100001/10000) )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的电电容容值值小小于于1pF1pF时，也能正常工作。时，也能正常工作。 1：1测量测量电路电路前置级前置级外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传传感感器器“驱动电缆驱动电缆”技术原理图技术原理图 当电容式传感器的当电容式传感器的初始电容值很大初始电容值很大(

40、 (几百几百F F) )时，只要选择适当时，只要选择适当的接地点仍可采用一的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达电缆可以长达10m10m，仪，仪器仍能正常工作。器仍能正常工作。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器（5 5）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

41、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在两两固固定定辅辅助助阻阻抗抗臂臂 Z Z3 3和和Z Z4 4中中间间，使电缆芯线与其屏蔽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C CP1P1和和C CP2P2分别与分别与Z Z3 3和和Z Z4 4相并联。相并联。如果如果Z Z3 3和和Z Z4 4比比C CP1P1和和C CP2P2的的容抗小得多，则寄生电容抗小得多，则寄生电容容C CP1P1和和C CP2P2对电桥平衡状对电桥平衡状态的影响就很小。态的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z

42、3Z4-A武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器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Z Z3 3和和Z Z4 4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 Z3 3和和Z Z4 4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 Z3 3和和Z Z4 4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 Z3 3和和Z Z4 4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。

43、结结果果寄寄生生电电容容C Cplpl和和C Cp2p2对对Z Z3 3和和Z Z4 4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的程度而不致影响交流电桥的平衡。低的程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

44、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。 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pFpF）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。电电缆缆长长达达10m10m时时，传传感器也能正常工作。感器也能正常工作。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 4 4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

45、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干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。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前置置级级等等等。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角排排列列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。若必须平行排列

46、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体或或宽宽印印制线。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器灵灵敏敏度度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。防止和减小干扰的措施归纳为：防止和减小干扰的措施归纳为：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.34.3电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 电电容容式式传传感感器器的的全全等等效效电电路路如如图图所所示示。图图

47、中中，L为为包包括括引引线线电电缆缆的的电电感感和和电电容容式式传传感感器器本本身身的的电电感感；r包包括括引引线线电电阻阻、极极板板电电阻阻和和金金属属支支架架电电阻阻；Rg是是极极间间等等效效漏漏电电阻阻，包包含含极极板板间间的的漏漏电电损损耗耗和和介介质质损损耗耗、极极板板与与外外界界间间的的漏漏电电损损耗耗和和介介质质损损耗耗；C0为为传传感感器器本本身身的的电电容容；Cp为为引引线线电电缆缆、所所接接测测量量电电路路及及极极板与外界所形成的总寄生电容。板与外界所形成的总寄生电容。电电容容式式传传感感器器电电容容量量一一般般很很小小，容容抗抗很很大大，而而工工作作频频率率一一般般较较高

48、高，故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为式中，式中，C C= =C CP P+ +C C0 0武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器则等效等效电容容为实际电容相容相对变化化为因此因此实际的灵敏度的灵敏度为可可见电容容传感器的等效灵敏度感器的等效灵敏度K Ke e与与传感器的固有感器的固有电感感L L有关，有关，且随且随变化而化而变化。因此，在化。因此，在实际应用前必用前必须要要进行行标定，定，否否则将会引入将会引入测量量误差。差。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章

49、章 电容式传感器电容式传感器4.44.4电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4.1 4.4.1 调频测量电路调频测量电路 调调频频测测量量电电路路把把电电容容式式传传感感器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的的一一部部分分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。调频测量量电路具有路具有较高的灵敏度，可高的灵敏度，可测至至0.01m0.01m级位移位移变化化量，易于用数字量，易于用数字仪器器测量，并与量，并与计算机通算机通讯，抗干，抗干扰能力能力强强。当电容发生变化时，频率变为当电容发生变化时，频率变为

50、当被测信号为零时当被测信号为零时, ,CC=0=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f f0 0，即，即: :武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.2 4.4.2 交流电桥测量电路交流电桥测量电路变压器器电桥具有使用元件最少，具有使用元件最少，桥路内路内阻最小的特点。阻最小的特点。电桥输出出电压为: 若若传感器感器为变极距式差极距式差动电容容传感器，感器，则电桥输出出为：经放大、相敏放大、相敏检波和波和滤波后波后输出直流出直流电压U USCSC大小与位移成大小与位移成线性关系，其正性关系，其正负极性反映位移的方向。极性

51、反映位移的方向。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器CxC0 Ixui aI0 b -Ku04.4.34.4.3运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.44.4.4二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥当当UE为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导导通、通、VD2截止，于是电容截止，于是电容C1充电充电; ;在随后负半周出现时，电容在随后负半周出现时，电容C1上上的电荷通过电阻的电荷通过电阻R1，负载电阻，负载电阻RL放电，放电， 流过流

52、过RL的电流为的电流为I1。UE在在负半周内，负半周内，D2导通、导通、D1截止，则截止，则电容电容C2充电，在随后出现正半周充电，在随后出现正半周时，时，C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2。根据。根据上面所给的条件，则电流上面所给的条件，则电流I1 =I2，且方向相反，在一个周期内流过且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。的平均电流为零。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成一阶电路

53、一阶电路 当供当供电电压是幅是幅值为UE、周期周期为T、占空比占空比为50%的方的方波，可直接得到流波，可直接得到流过电容容C2的的电流流iC2：正半周正半周电流流iC2的平均的平均值IC2可以写成：可以写成：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器同理，可得同理，可得负半周半周时流流过电容容C C1 1的平均的平均电流流I IC1C1为故在故在负载R RL L上上产生的生的电压为：当当R RL L已知已知时，为常数，常数，设为K K，则：式中，式中，ff电源源电压的的频率。率。表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，表明，传感器的

54、输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与而且与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。当电源参数确定后，的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容输出电压只是电容C C1 1和和C C2 2的函数。的函数。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.5 4.4.5 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路如如图图, ,C C1 1、C C2 2为为传传感感器器的的差差动动电电容容，当当电电源源接接通通时时，设设双双稳稳态态触触发发器器的的A A端端为为高高电电位位，B B端端为为低低电电位位，因因此此A

55、A点点通通过过R R1 1对对C Cl l充充电电，直直至至F F点点上上的的电电位位等等于于参参考考电电压压U Ur r时时，比比较较器器A A1 1产产生生一一个个脉脉冲冲，触触发发双双稳稳态态触触发发器器翻翻转转，A A点点成成低低电电位位，B B点点成成高电位。此时高电位。此时F F点电位经点电位经二二极极管管V VD1D1迅迅速速放放电电至至零零，而而同同时时B B点点的的高高电电位位经经R R2 2向向C C2 2充充电电。当当G G点点的的电电位位充充至至U Ur r时时，比比较较器器A A2 2产产生生一一脉脉冲冲，使使触触发发器器又又翻翻转转一一次次，使使A A点点成成高高电

56、电位位，B B点点成成低低电电位位，又又重重复复上上述述过过程程。如如此此周周而而复复始始，在在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C C1 1、C C2 2调制的脉冲方波。调制的脉冲方波。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器C C1 1C C2 2 时时 C C1 1 C C2 2 时时 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器当电阻当电阻R R1 1= R= R1 1=R=R时，时， 则为：则为：uAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压经过滤波后，即

57、可得到一直流输出电压U0式中：式中：如果是变间隙式，则：如果是变间隙式，则： 因为：因为： d d1 1= d= d0 0+ +d; dd; d2 2= d= d0 0-d; d-d; d1 1+d+d2 2= d= d0 0；则：；则：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.54.5电容式传感器的应用电容式传感器的应用1 1电容式接近开关电容式接近开关 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器齐平式齐平式 非齐平式非齐平式电容式接近开关外形电容式接近开关外形非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开

58、关的安装非非齐齐平平式式安安装装时时，传传感感器器高于安装支架，易损坏。高于安装支架，易损坏。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 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武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器图图示示为为电电容容开开关关在在工工程程中中的的一一个个应应用用。要要求求对对某某个个工

59、工件件进进行行加加工工，工工件件用用夹夹具具固固定定在在移移动动工工作作台台上上，工工作作台台由由一一个个主主电电机机拖拖动动，作作来来回回往往复复运运动动，刀刀具具作作旋旋转转运运动动。现现用用两两个个电电容容开开关关来来决决定定工工作作台台何何时时换换向向。当当“A A”号号传传感感器器有有输输出出信信号号时时，使使主主电电机机停停止止反反转转，同同时时，接接通通其其正正转转电电路路，从从而而使使工工作作台台向向右右运运动动；当当“B B” 号号传传感感器器有有输输出出信信号号时时，使使主主电电机机停停止止正正转转，同同时时，接接通通其其反反转转电电路路，从从而而使使工工作作台台向向左左运

60、运动动。这这样样，就就实实现现了了工工作台的行程限位。作台的行程限位。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.2.电容式油量表电容式油量表电容式油量表电容式油量表当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停留留在在转转角角为为 m m处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量C Cx x减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RPRP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RPRP阻阻值值达达到到一一

61、定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x x 处）。处）。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式液位计电容式液位计电容式液位计电容式液位计棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传

62、感器电容式传感器3.3.3.3.电容式差压变送器电容式差压变送器电容式差压变送器电容式差压变送器 高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波纹隔柔性不锈钢波纹隔离膜片离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃

63、圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹性平膜片 1010 腔腔武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.4.电容式转速传感器电容式转速传感器设齿数数为Z Z，由，由计数器得到的数器得到的频率率为f f，则转速速n n（r r/ /minmin）为: :5.5.电容式位移容式位移传感器感器电容式位移容式位移传感器在感器在测振幅和振幅和测轴回回转精

64、度和精度和轴心偏心偏摆的的应用。用。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器6.6.湿敏电容湿敏电容湿敏电容湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为加（水的相对介电常数为8080），所以电容量增大。），所以电容量增大。 湿敏电容湿敏电

65、容湿敏电容湿敏电容外形外形外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.64.6容栅式传感器容栅式传感器 容容栅栅传传感感器器是是在在变变面面积积型型电电容容传传感感器器的的基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种新新型型传传感感器

66、器。它它的的电电极极不不止止一一对对，电电极极排排列列呈呈梳梳状状，故故称称为为容容栅栅传传感感器器。同同组组中中有有多多个个电电极极或或多多个个电电极极并并联联，极极大大地地提提高高了灵敏度。了灵敏度。 容容栅栅传传感感器器可可实实现现直直线线位位移移和和角角位位移移的的测测量量，根根据据结结构构形形式式，容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。 1.1.直线形容栅传感器（长容栅）直线形容栅传感器（长容栅）长容栅结构原理图长容栅结构原理图 式式中中，n n 动动尺尺栅栅极极片片数数； a a，b b栅极片长度和宽度。栅极片长度和

67、宽度。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 容容栅栅传传感感器器的的最最小小电电容容量量理理论论上上为为零零，实实际际上上为为固固定定电电容容C C0 0，为为容容栅栅固固有有电电容容。当当动动尺尺沿沿x x方方向向平平行行于于定定尺尺不不断断移移动动时时，每每对对电电容容的的相相对对遮遮盖盖长长度度a a将将由由大大到到小小，由由小小到到大大地地周周期期性性变变化化，电电容容量量值值也也随随之之相相应应周周期期变变化化，如如图图所所示示，经经电电路路处处理理后后，则可测得线位移值。则可测得线位移值。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工

68、程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2.2.圆形容栅传感器（片状圆容栅）圆形容栅传感器（片状圆容栅）最大最大电容容为：式中式中 r r1 1，r r2 2 圆盘上上栅极片内半径和外半径；极片内半径和外半径；每条每条栅极片极片对应的的圆心角。心角。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器3.3.筒形容栅传感器（柱状圆容栅）筒形容栅传感器（柱状圆容栅）筒筒形形容容栅栅传传感感器器由由两两个个套套在在一一起起的的同同轴轴圆圆筒筒组组成成，电电极极镀镀在在圆圆筒筒上上，可可实实现现长长度度的的测测量量。柱柱状状圆圆容容栅栅的的结结构构原原理理图

69、图如图所示。如图所示。 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 随随着着微微机机械械加加工工技技术术(MEMS)(MEMS)的的迅迅猛猛发发展展，各各种种基基于于MEMSMEMS技技术术的的传传感感器器也也应应运运而而生生，由由于于国国防防和和尖尖端端技技术术需需要要，微微加加速速度度传传感感器器近近年年来来发发展展迅迅速速。在在各各种种微微加加速速度度传传感感器器中中，微微电电容容式式加加速速度度传传感感器器具具有有结结构构简简单单、灵灵敏敏度度高高、动动态态特特性性好好、抗抗过过载载能能力力强强，体体积积小小、重重量量轻轻、易易于于与与测测

70、试试、控控制制电电路路集集成成、有有利利于于大大规规模模批批量量生生产产等等优优点点，其研究和应用受到越来越广泛的关注。其研究和应用受到越来越广泛的关注。硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为力加速度。其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测量范围为数个，加速度测量范围为数个g g，可输出与加速度成正比的电压，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比

71、正比于加速度的也可输出占空比正比于加速度的PWM PWM 脉冲。脉冲。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g，量程：量程：10g，频率范围：频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点，安装谐振点:8kHz，分辨力：分辨力：0.00004g，重量：重量：200g，安装螺纹：安装螺纹：M5mm，线性线性误差：误差：1% 1% 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器

72、原理硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元；加速度测试单元；2 2信号处理电路；信号处理电路；3 3衬底衬底 ； 4 4底层多晶硅（下电极）；底层多晶硅（下电极）；5 5多晶硅悬臂梁；多晶硅悬臂梁；6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组

73、成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C C C1 1 1 1、C C C C2 2 2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相是一个可以上

74、下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当于悬臂梁。当于悬臂梁。当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C C C1 1 1 1、C C C C2 2 2 2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C C C 转换成直流输转换成直流输转换成直流输转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电

75、压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达达达达1kHz1kHz1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 10g 10g 10g 以上。以上。以上。以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安

76、装三个加速度传感器，如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。就可以测量三维方向的振动或加速度。就可以测量三维方向的振动或加速度。就可以测量三维方向的振动或加速度。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器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，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰撞，微处理器据此判断发生了碰撞，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。 装有传感器的装有传感器的假人假人气囊气囊