电容式传感器课件

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1、传感器第四章 电容式传感器1第四章第四章 电容式传感器电容式传感器优点优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。量等，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含：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。量等测量之中。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。它实质上是一个具有可变参数的电容器

2、。2电容元件电容元件电容元件电容元件非电量非电量非电量非电量电容量变化电容量变化电容量变化电容量变化（1）指纹识别）指纹识别比如：（2）电容式键盘）电容式键盘利用极距式电容传感器以实现信号转换利用极距式电容传感器以实现信号转换原理: 是依靠每个按键上的两片铜箔，按键按下来后，铜箔之间的距离发生变化，电容的容量也就发生变化。特点: 占用厚度特小，就是按下去再弹回来的位差非常小，广泛应用于超薄键盘中。可以根据外观来判断，按键键帽比较低的，按下去再弹回来的位差非常小，键盘厚度比较薄的都是电容式键盘。 （3）电容传声器）电容传声器驻极体电容传声器驻极体电容传声器驻极体电容传声器驻极体电容传声器大膜片电

3、容传声器大膜片电容传声器大膜片电容传声器大膜片电容传声器传声器（传声器（Microphone）即话筒、麦克风即话筒、麦克风，目前，目前使用的话筒大多是动圈式使用的话筒大多是动圈式和电容式。和电容式。一、工作原理一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽忽略略边边缘缘效效应应时，其电容C为 S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。S第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型7+- 理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害。到边缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘

4、效应。返回返回公式分析：公式分析：、S S和和r r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C C。或或S 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映压力、加速度等的变化；反映压力、加速度等的变化；r r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。9 因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积变极距型、变面积型和变介质型型和变介质型三种类型 。二、类型二、类型常用电容器的结构形式。常用电容器的结构形式。图(a)、 (b)为变极距型；图(c)、 (d)、 (f)、 (g

5、)、(h) 、 (i)为变面积型；图 (j)、(k)则为变介质型。 C- 特性曲线1 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 1固固定定不不动动，极极板板2 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，从从而而使使电电容容量量产产生生变变化化 ，其电容变化量，其电容变化量C C为为2变极距型电容传感器1CC0C C0 0极距为极距为时的初始电容量。时的初始电容量。 12讨论：讨论：该类型电容式传感器存在着该类型电容式传感器存在着原理非线性原理非线性，所以实际，所以实际应用中，为了改善

6、非线性、常常作成差动式结构改应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改善其非线性。善其非线性。132 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，测量精度受到影响。测量精度受到影响。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用的结构，其中线位移单组式的电容量采用的结构，其中线位移单组式的电容量C C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为l 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；r r2 2、r r1 1 圆筒内半

7、径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。142 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l l时，电容变化量时，电容变化量C C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。 153 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、湿湿度度改改变变而而改改变变来来测测量介质材料的量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。163

8、 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器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，传传感感器器的的电容量与被测厚度的关系为电容量与被测厚度的关系为 x厚度传感器C1C2C3C17 a a、b b: :固定极板长度和宽度；固定极板长度和宽度；: :两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x x、0 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 。 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线线位位移移传传感感器器如如下下图图，传传感感器的电容量与被位移的关系为器的电容量与被位

9、移的关系为 C1C2C3CC4 a a、b b、l lx x: :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 ；: :两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x x、0 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 。 平板形lx18n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，传传感感器器的的电电容容量与被液位的关系为量与被液位的关系为 液位传感器液位传感器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

10、关系。注注意意事事项项：若若电电极极之之间间的的被被测测介介质质导导电电，电电极极表表面面应应涂涂盖盖绝绝缘缘层层（如（如0.1mm0.1mm的聚四氟乙烯等）。的聚四氟乙烯等）。2r12r2hx19电电容容式式传传感感器器的的转转换换电电路路，就就是是将将电电容容式式传传感感器器看看成成一个电容，并转换成电压或其他电量的电路。一个电容，并转换成电压或其他电量的电路。一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路 实实际际上上，电电容容式式传传感感器器并并不不是是一一个个纯纯电电容容，其其完完整整等效电路如图。等效电路如图。第二节第二节 转换电路转换电路20L L包括引线电缆电感和电容式传感器

11、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 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 C0 0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；C Cp p为为总总寄寄生生电电容容，包包括括引引线线电电缆缆、所所接接测测量量电电路路及及极极板板与与外界所形成的各种寄生电容；外界所形成的各种寄生电容；R Rg g是是极极间间等等效效漏漏电电阻阻，它它包包括括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介介质质损损耗耗，其其值值在在制制造造工工艺艺上和材料选取上应保证足够大。上和材料选取上应保证足

12、够大。第二节第二节 转换电路转换电路21一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路CeRe讨论：讨论：l在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L L和和r r的影响可以的影响可以忽略。其等效电路可简化，其中等效电容忽略。其等效电路可简化，其中等效电容C Ce e= =C C0 0+ +C Cp p，等效电阻，等效电阻R Re eR Rg g22第二节第二节 转换电路转换电路LreCel在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L L和和r r的影响不可忽的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化。其中略，而漏电的

13、影响可忽略。其等效电路简化。其中C Ce e= =C C0 0+ +C Cp p，而，而r re er r。23l电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHzMHz。供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/31/31/21/2，传感，传感器才能正常工作。器才能正常工作。 第二节第二节 转换电路转换电路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) )或或两个相邻臂。两个相邻臂。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

14、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圈线圈。二、电桥电路二、电桥电路24第二节第二节 转换电路转换电路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，适合于高频电源下工作。适合于高频电源下工作。二、电桥电路二、电桥电路25在电路中，为表示元件间耦合的松紧程度，把两电感元件的实际互感（绝对值）与其最大的极限值之比定义为耦合系数。第二节第二节 转换电路转换电路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，桥桥路路内

15、内阻阻最最小小，因因此此目目前前较较多采用。多采用。二、电桥电路二、电桥电路26第二节第二节 转换电路转换电路电桥电路的特点电桥电路的特点：采用高频交流正弦波供电；采用高频交流正弦波供电；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，需需采采用用稳稳幅幅、稳稳频等措施；频等措施；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度高高的的场场合合应应采采用用自自动平衡电桥；动平衡电桥；输输出出阻阻抗抗很很高高( (几几MM至至几几十十M)M)，

16、输输出出电电压压低低，必必须须后后接接高高输输入阻抗、高放大倍数的处理电路。入阻抗、高放大倍数的处理电路。 27第二节第二节 转换电路转换电路三、二极管双三、二极管双T T形电路形电路 电路原理如图。供电电压是幅值为电路原理如图。供电电压是幅值为U UE E、周期为、周期为T T、占空比为、占空比为5050的方波。的方波。28第二节第二节 转换电路转换电路三、二极管双三、二极管双T T形电路形电路若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路。典型的一阶电路。其中二极管其中二极管VDVD1 1导通、导通、VDVD2 2截止，电容截

17、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C C2 2的电压初始值为的电压初始值为U UE E。可得到电容可得到电容C C2 2的电流的电流i iC2C2的表达式的表达式。 29在在R R（RRRRL L）/ /（R RR RL L）C C2 2T T/2/2时时, , 电流电流i iC2C2的平均值的平均值I IC2C2可以写成下式：可以写成下式： 30故在负载故在负载R RL L上产生的电压平均值为上产生的电压平均值为 31同理，负半周时电容同理，负半周时电容C C1 1的平均电流的平均电流: : 即：输出电压是两个电容之差

18、的函数。即：输出电压是两个电容之差的函数。电路特点：电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，克服了电容式传感器高，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 32四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路又称又称差动脉宽差动脉宽( (脉冲宽度

19、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感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。再通过低通滤波器得到对应被测量变化器电容量变化而变化。再通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。的直流信号。33四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路图为差动脉冲调宽电路原理图，图中图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C C1 1、C C2 2为差动式传为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；电容值与传感器电容初始值相等；A A1 1

20、、A A2 2是两个是两个比较器比较器，U Ur r为其参考电压。为其参考电压。34运算放大器有两个模拟输入端，分别为同相输入端和反相输入端。当同相输入端电压低于反相输入端电压时，比较器输出数字低电平。反之，比较器输出数字高电平。35设接通电源时，设接通电源时，RSRS触发器的触发器的Q Q为高电平，为高电平，Q Q非为低电平。非为低电平。Q Q控制开关控制开关S1S1和和S2S2向下接通，使得向下接通，使得C2C2放电，放电，C1C1充电。充电。同时同时Q Q非控制开关非控制开关S3S3向上接通，使得输出为向上接通，使得输出为+U+U。36当当C1C1充电到其电位大于参考电压充电到其电位大于

21、参考电压UrUr时，比较器时，比较器A2A2输出高电输出高电平，使得平，使得RSRS触发器翻转。触发器翻转。37RSRS触发器翻转后，触发器翻转后，Q Q变成低电平，使得开关变成低电平，使得开关S1S1和和S2S2往上往上接通，接通，C2C2开始充电，开始充电，C1C1开始放电。开始放电。同时，同时，Q Q非变成高电平，使得开关非变成高电平，使得开关S3S3向下接通，输出变向下接通，输出变成成-U-U。周而复始，则输出电压为宽度后周而复始，则输出电压为宽度后C1和和C2调制的矩形脉冲。调制的矩形脉冲。38输出电压输出电压U U。经低通滤波后，得到直流电压为经低通滤波后，得到直流电压为 T T1

22、 1、T T2 2 分别为分别为C C1 1和和C C2 2的充电时间；的充电时间；U U输出电压的正反向幅值输出电压的正反向幅值。39C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间T T1 1、T T2 2为为 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。40 设设电电容容C C1 1和和C C2 2的的极极间间距距离离和和面面积积分分别别为为1 1、2 2和和S S1 1、S S2 2，将将平平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面积积型型电电容容式式传传感感器可得器可得 可可见见差差动动脉脉

23、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，并具有理论上的并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。这是十分可贵的性质。 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出较较大大的的直直流流电电压压，对对输输出出矩形波的纯度要求也不高。矩形波的纯度要求也不高。 41五、运算放大器式电路五、运算放大器式电路将电容的变化转换为电压的

24、变化将电容的变化转换为电压的变化。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线性性。其其原理如图原理如图由于由于 运算放大器式 电路原理图42 讨论：讨论：负号表明输出与电源电压反相。负号表明输出与电源电压反相。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保证了变极距型电容式传感器的线性。上保证了变极距型电容式传感器的线性。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ZiZi=，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

25、和ZiZi足足够够大大，所以这种误差很小。所以这种误差很小。 43六、调频电路六、调频电路l电容传感器为振荡谐振回路的一部分；电容传感器为振荡谐振回路的一部分；l输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。l频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。4445 第三节第三节 主要性能、特点和设计要点主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一、主要性能（静态灵敏度和非线性）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被测量变

26、化之比。对于测量变化之比。对于变极距型变极距型其静态灵敏度其静态灵敏度k kg g为为 46泰勒展开 可见其可见其灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化而变化。减小减小可以提高灵敏度。可以提高灵敏度。但但过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为3kV3kVmmmm）。）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于可在极间加一层云母片（其击穿电压大于 10103 3kV/mmkV/mm）或塑）或塑料膜来改善电容器耐压性能。料膜来改善电容器耐压性能。47灵敏度取决于灵敏度取决于r r2 2/ /r r1 1，r r2

27、 2与与r r1 1越接近，灵敏度越高越接近，灵敏度越高。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，否否则边缘效应将影响到传感器的线性。则边缘效应将影响到传感器的线性。 对于对于圆柱形变面积型圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为电容式传感器，其静态灵敏度为48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提高静态灵敏度，一般来提高静态灵敏度，一般提高一倍提高一倍。例例如如，对对变变面面积积型型差差动动式式线线位位移移电电容容式式传传感感器器，其其静静态态灵灵敏敏度为度为 可

28、见比相应单组式的灵敏度提高一倍。可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。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边缘效应应时，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。49显然，输出电容显然，输出电容C C与被测量之间是非线性关系。与被测量之间是非线性关系。只只有有当当/ /11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为系为 C CC C0 0( (/ /) )。由由于于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

29、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，而而且且最最大大应应小小于于极极板板间距间距的的1/51/51/101/10。 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，其电容量的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：变化：50相相比比之之下下，差差动动的的非非线线性性得得到到很很大大的的改改善善，灵灵敏敏度度也也提高一倍。提高一倍。 2 2、非线性、非线性 采用差动形式，并取两电容之差为输出量，可得：采用差动形式，并取两电容之差为输出量，可得：51从从理理论论上上说说，变变面面积积型型和和变变介介电电常常数数型

30、型电电容容式式传传感感器器具有良好的线性，但这些是以忽略边缘效应为条件的。具有良好的线性，但这些是以忽略边缘效应为条件的。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题仍仍然然存存在在，且且灵灵敏敏度度下下降降，但但比比变变极极距距型型好得多。好得多。二、电容式传感器的特点二、电容式传感器的特点主要优点：主要优点：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尺寸，有利于选择温度系数低的材料；何尺寸，有利于选择温度系数低的材料；因本身发热极小

31、，影响甚微。因本身发热极小，影响甚微。2 2结构简单，适应性强结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。电容式传感器结构简单，易于制造。此此外外传传感感器器可可以以做做得得体体积积很很小小，以以便便实实现现某某些些特特殊殊要要求求的的测量。测量。金金属属作作电电极极，无无机机材材料料作作支支撑撑。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都能正常工作。下都能正常工作。523 3动态响应好动态响应好

32、极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小，可可动动部部分分质质量量很很轻轻，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，特特别适合动态测量。别适合动态测量。介质损耗小可以用较高频率供电，因此介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高系统工作频率高。可用于可用于测量高速变化的参数测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。，如测量振动、瞬时压力等。4 4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

33、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效应均效应, ,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。 53a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器54缺点：缺点：1 1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差容容量量受受其其电电极极几几何何尺尺寸寸限限制制，一一般般为为几几十十到到几几百百pFpF，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

34、感感器器负负载载能能力力差差，易易受受外界干扰影响而产生不稳定现象，必须采取外界干扰影响而产生不稳定现象，必须采取屏蔽措施屏蔽措施。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响响传传感感器器的的性能（如灵敏度降低）。性能（如灵敏度降低）。552 2寄生电容影响大寄生电容影响大表表现现：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

35、极板板与其周围导体构成的电容与其周围导体构成的电容等等“寄生电容寄生电容”却较大。却较大。影影响响：降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度；寄寄生生电电容容( (如如电电缆缆电电容容) )常常随随机机变变化化，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。因此对电缆选择、安装、接法有要求。因此对电缆选择、安装、接法有要求。措措施施：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服。克服。56三、三、 设计要点设计要点1 1减小环境温度湿

36、度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能减小环境温度湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能主要影响：主要影响：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差。误差。湿度也影响某些介质的湿度也影响某些介质的介电常数介电常数和绝缘电阻值。和绝缘电阻值。措施：措施：电电极极设设计计：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；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

37、的工工艺艺，这这样样电电极极可可以以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。做得极薄，对减小边缘效应极为有利。57密密封封：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；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，则则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀。电电极极支支架架设设计计：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

38、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、人造宝石及各种陶瓷等做支架。母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。电电介介质质选选择择：尽尽量量采采用用空空气气等等介介电电常常数数近近零零，且且介介电电常常数数不受湿度变化影响的电介质。不受湿度变化影响的电介质。尽可能采用差动对称结构。尽可能采用差动对称结构。尽尽量量选选用用高高的的电电源源频频率率，一一般般为为50kHZ50kHZ到到几几兆兆赫赫，以以降降低低传感器绝缘部分的绝缘要求。传感器绝缘部分的绝缘要求。58+-2 2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应边缘效应：边缘效应：理理想想平平板板电电容容器器的的电

39、电场场线线是是直直线线的的，但但实实际际情情况况下下，在在靠靠近近边边缘缘地地方方的的会会变变弯弯，越越靠靠边边就就越越弯弯得得厉厉害害。到到边边缘缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。边缘效应的影响：边缘效应的影响：灵敏度降低，非线性增加。灵敏度降低，非线性增加。消除和减小边缘效应的方法消除和减小边缘效应的方法增大初始电容增大初始电容使用等位环。使用等位环。2.1 2.1 增大初始电容增大初始电容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，可可减减小小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。

40、边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。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场的影响。电场的影响。602 2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应2.22.2采用等位环采用等位环结构上增设结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等等位位环环3 3与与电电极极2 2在在同同一一平平面面上上并并将将电电极极2 2包包围围，且且与与电电极极2 2电电绝绝缘缘但但等等电电位位，这这就就能能使使电电极极2 2的的边边缘缘电电力力线线平平直直，电电极极1 1和和2 2之之间间的的电电场场基基本本均均匀匀，而而发发散散

41、的的边边缘缘电电场场发发生生在在等等位位环环3 3外外周周不影响传感器两极板间电场。不影响传感器两极板间电场。 612 2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 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，必必须须消消除除和和减减小小它它。可可采采用用方法：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（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

42、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62（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0.20.20.5mm0.5mm，圆圆筒筒式式间间距距为为0.15mm)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。该该方方法法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、结构等限制。结构等限制。3 3消除和减小寄生电容的影响

43、消除和减小寄生电容的影响63（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为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。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之间间的的电电容容值值将将保保持持不不变变，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

44、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。 643 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（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，使仪器工作稳定。使仪器工作稳定。653 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（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

45、术适适用用情情况况：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，不不能能放放到到一一个个盒子里。盒子里。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的电容。间的电容。 663 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（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

46、等位传输) )技术技术外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。 673 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（5 5）采用运算放大器法）采用运算放大器法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电容缆电容C Cp p/(1/(1A)A)，

47、因而大大地减小了电缆电容的影响。，因而大大地减小了电缆电容的影响。外界干扰因外界干扰因屏蔽层屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。683 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（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法l 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屏蔽壳屏蔽起来。个屏蔽壳屏蔽起来。693 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

48、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。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来误误差差和和故故障障。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：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级等等。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

49、最好好成成直直角角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。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体或宽印制线。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器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 70电容式传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适电容式传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。合测量高频

50、振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。一、传统变极距式电容传感器一、传统变极距式电容传感器第四节第四节应用举例应用举例图示传感器特点：图示传感器特点：结构简单、灵敏度高、结构简单、灵敏度高、响应速度快，能从微小压差。响应速度快，能从微小压差。结构：结构：玻璃圆盘凹面深玻璃圆盘凹面深25m，镀金形成电容，镀金形成电容式传感器两固定极板；式传感器两固定极板；膜片为可动电极，感知两侧压力。膜片为可动电极，感知两侧压力。二、容栅式传感器二、容栅式传感器主主要要特特点点：工工作作原原理理基基于于变变面面积积型型电电容容传传感感器器。具具有有电电容容式式传传感感器器的的优优点点，又又具具有有多多极极

51、电电容容的的平平均均效效应应，可可采采用用闭闭环环反反馈馈式式等等测测量量电电路路。测测量量精精度度提提高高（5m），量程扩展（量程扩展（1m）。）。应应用用：数数显显卡卡尺尺、测测长长机等数显量具。机等数显量具。容容栅栅测测量量系系统统：栅栅状状电电容极板测量电路容极板测量电路图图4-17反射式容栅传感器结构反射式容栅传感器结构和安装示意图和安装示意图第四节第四节应用举例应用举例73（一）容栅传感器的结构形式（一）容栅传感器的结构形式l动栅：动栅：排列一系列尺寸相同、宽度为排列一系列尺寸相同、宽度为l0l0的小发射电极的小发射电极片片1 18 8。lR R为公共接收极为公共接收极。l定栅：定

52、栅：均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l4l0 0的反射电极片的反射电极片M M1 1、M M2 2、和屏蔽极片和屏蔽极片S S。电极片间互。电极片间互相绝缘。相绝缘。l动栅和定栅的电极片相对、平行安装。当发射电极片动栅和定栅的电极片相对、平行安装。当发射电极片1 18 8分别加以激励电压分别加以激励电压U U1 1U U8 8时，时，通过电容耦合在反射通过电容耦合在反射电极片上产生电荷，再通过电容在公共接收极上产生电极片上产生电荷，再通过电容在公共接收极上产生电荷输出电荷输出。l采用不同的激励电压和相应的测量电路，则可得到幅采用不同的激励电压和

53、相应的测量电路，则可得到幅值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信值或相位与被测位移成比例关系的调幅信号或调相信号。号。 74（二）工作原理及转换电路（二）工作原理及转换电路1、开环调幅式测量原理、开环调幅式测量原理l组成：均匀排列的定栅；一对相同尺寸的交错对插动组成：均匀排列的定栅；一对相同尺寸的交错对插动栅对。栅对。l工作过程：安装如图，重叠面积为暗区域，随位移反工作过程：安装如图，重叠面积为暗区域，随位移反向变化的差动电容器向变化的差动电容器C1和和C2。l测量电路：差动变压器。测量电路：差动变压器。l特点：测量精度提高，可实现大位移测量。特点：测量精度提高，可实现大位移测量。75

54、762、闭环调幅式测量原理、闭环调幅式测量原理lA A、B B动尺的两组电极片动尺的两组电极片，各由四片小电极片组成；，各由四片小电极片组成；位置位置a a时，一组为小电极片时，一组为小电极片1 14 4，另一组为，另一组为5 58 8。lP P定尺上的一片电极片定尺上的一片电极片，与，与A A、B B间构成差动电容器间构成差动电容器C CA A、C CB B。772、闭环调幅式测量原理、闭环调幅式测量原理lS S1 1、 S S2 2 方波脉冲控制开关方波脉冲控制开关，轮流将参考直流电压，轮流将参考直流电压U U0 0和测量转换系统的直流输出电压和测量转换系统的直流输出电压U Um m分别接

55、入两个小分别接入两个小电极组电极组A A和和B B。 l当方波为前半周，开关当方波为前半周，开关S1S1和和S2S2往上导通，在小电极组往上导通，在小电极组A A上输入上输入+U0+U0和和UmUm；l当方波为后半周，开关当方波为后半周，开关S1S1和和S2S2向下导通，在小电极组向下导通，在小电极组B B上输入上输入-U0-U0和和UmUm。78l若系统保证电容极板若系统保证电容极板P P为虚地，则在一个周期内，激励为虚地，则在一个周期内，激励信号通过差动电容信号通过差动电容C CA A和和C CB B在电容极板在电容极板P P上产生的电荷量上产生的电荷量Q QP P(C(CA AU U0

56、0-C-CB BU U0 0+C+CA AU Um m+C+CB BU Um m) )。l当当Q QP P为零时，测量转换电路保证为零时，测量转换电路保证U Um m不变；否则导致测量不变；否则导致测量转换电路使转换电路使U Um m改变，改变，并保证其变化使并保证其变化使Q QP P的值减小，直至的值减小，直至为零为零。 79l说明：说明：当相对位移量超过当相对位移量超过l l0 0( (小电极片的间距小电极片的间距) )即即L L0 0/4/4时，时，由由控制电路自动改变小电极片组的接线控制电路自动改变小电极片组的接线，见图中位置，见图中位置b b，这时电极片组由小电极片这时电极片组由小电

57、极片2 25 5构成；电极片组由小电极片构成；电极片组由小电极片6 69 9构成。这样，构成。这样，在电极片在电极片P P相对移动的过程中，能保证相对移动的过程中，能保证始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，重复前述重复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。 803 3、调相式测量原理、调相式测量原理（1 1）结构组成）结构组成l极板极板K K：数个数个发射极片组发射极片组形成，每个极片组中有八个宽形成，每个极片组中有八个宽度均为度均为l l0 0的的发射极片发射极片，分别加以八个幅值为，分别加以八个幅

58、值为U Um m、频率为、频率为、相位依次相差、相位依次相差/4/4的正弦激励电压。的正弦激励电压。l另一极板：另一极板：包括许多反射极片包括许多反射极片M M和接地的屏蔽极片和接地的屏蔽极片S S。l接收极片接收极片R R。81（2 2）测量原理：）测量原理：l当两个极板处于相对位置当两个极板处于相对位置a a时时，每个发射极片与反射极片，每个发射极片与反射极片完全覆盖，所形成的电容均为完全覆盖，所形成的电容均为C C0 0。 l两个极板相对移动两个极板相对移动x(lx(l0 0) )而处于位置而处于位置b b时时，若将反射极片，若将反射极片的电压记为的电压记为U UM M、接受极片的电压记

59、为、接受极片的电压记为U UR R，反射极片与接受，反射极片与接受极片之间的电容记为极片之间的电容记为C CMRMR、接受极片与地之间的电容记为、接受极片与地之间的电容记为C CRGRG，则有，则有 82l传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数似为常数k k，而其，而其相位相位则与被测位移则与被测位移x x近似成线性关近似成线性关系系。通常采用相位跟踪法测出相位角。通常采用相位跟踪法测出相位角 。l当被测位移当被测位移x x超过超过l l0 0时时，则重复上述过程，勿需改变发，则重复上述过程，勿需改变发射极片的接线即可实现大位移测量

60、。射极片的接线即可实现大位移测量。838485三、力平衡式电容传感器三、力平衡式电容传感器86三、力平衡式电容传感器三、力平衡式电容传感器87当加速度为0时:活动极板处于两个固定极板的中间位置（零位置），差动电容变化量C为0；此时脉冲调制信号的占空比为50%；活动极板受到上下固定极板的静电引力的合力为0；同时传感器输出信号为0。当加速度为a时：质量为m的活动极板受加速度a后，其惯性力使中间极板产生微小位移；微小位移引起差动电容变化，变化值为C；C由被检测出来，并控制两路脉冲调制信号UEUE的占空比；活动极板受到上下固定极板的静电引力的合力不为0，该力促使活动极板回到零位。作业P83：1，3，4，588