第六章電容式傳感器

1、電容式傳感器電容式傳感器是以各種類(lèi)型的電容器作為是以各種類(lèi)型的電容器作為傳感元件傳感元件，將，將被測(cè)物理量被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換為換為電容量電容量的變化。的變化。應(yīng)用應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。壓力、位移、厚度、加速度、液位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。第六章第六章 電容式傳感器電容式傳感器按工作原理按工作原理變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型變面積型變面積型變極距型變極距型特點(diǎn)特點(diǎn)：（1 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高；）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高；（2 2）可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；）可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；（3 3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；（4 4）能在高溫、輻射和強(qiáng)振

2、動(dòng)等惡劣條件下工作；）能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作；（5 5）電容量小、功率小、輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界）電容量小、功率小、輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。第六章第六章 電容式傳感器電容式傳感器6.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理電容式傳感器電容式傳感器由由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的為一體的電容量可變電容量可變的電容器和測(cè)量電路組的電容器和測(cè)量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對(duì)圖

3、示平行極板電容器，示平行極板電容器，電容量電容量為為+Ard_ - 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)A- 兩平行板的正對(duì)面積兩平行板的正對(duì)面積d- 兩平行板間距離兩平行板間距離在在A、d、三個(gè)參量中，保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，改變其中一個(gè)量，均可使三個(gè)參量中，保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，改變其中一個(gè)量，均可使電電容量容量C改變。改變。也就是說(shuō)，如果也就是說(shuō)，如果被檢測(cè)參數(shù)被檢測(cè)參數(shù)(如位移、壓力、液位等如位移、壓力、液位等)的變化引起的變化引起A、d、三個(gè)三個(gè)參量中之一參量中之一發(fā)生變化，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電發(fā)生變化，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路

4、轉(zhuǎn)換為電量輸出。路轉(zhuǎn)換為電量輸出。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類(lèi)：據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類(lèi)：(1) 變極距型電容傳感器；變極距型電容傳感器；(2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器；(3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。+Ard_三種類(lèi)型：三種類(lèi)型：變極距變極距(d)型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h) 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 6.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器當(dāng)當(dāng)活動(dòng)極板活動(dòng)極板因因被測(cè)參數(shù)被測(cè)參數(shù)的改變而引起的改變而引起移動(dòng)移動(dòng)時(shí)，時(shí)，電容量電容量隨兩

5、極板間的隨兩極板間的距離距離變化而變化。變化而變化。初始電容初始電容若極距縮小若極距縮小非線性關(guān)系非線性關(guān)系若若 時(shí)，可簡(jiǎn)化為時(shí)，可簡(jiǎn)化為最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/10差動(dòng)式改善其非線性差動(dòng)式改善其非線性擊穿問(wèn)題擊穿問(wèn)題一般極板間距在一般極板間距在25200 范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的1/10，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。因此這種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。6.1.2 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器 通過(guò)改變通過(guò)改變極板間覆蓋的面積極板間覆蓋的面積來(lái)改變電容變化量的傳感器，常用的有來(lái)改變電容變化量的傳感器，常用的有角位移

6、型角位移型和和線位移型線位移型兩種。兩種。 與與變極距型變極距型的區(qū)別：被測(cè)量通過(guò)的區(qū)別：被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板，引起兩極板有效覆蓋面積有效覆蓋面積A改變，從改變，從而引起電容變化。而引起電容變化。 與與 間呈線性關(guān)系間呈線性關(guān)系（1）線位移型）線位移型用于用于角位移測(cè)量角位移測(cè)量的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片有一角位移的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片有一角位移 時(shí)，兩時(shí)，兩極板間的極板間的覆蓋面積覆蓋面積就改變，從而改變了電容量。就改變，從而改變了電容量。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng) 角，角， 時(shí)，極板間的相對(duì)面積為：時(shí)，極板間的相對(duì)面積為： 所以，所以， 所以，所以， 傳感器的電容量傳感器的電容量C與角位移

7、與角位移 呈呈線性線性。 （2）角位移型）角位移型時(shí)，時(shí)，平面線位移型平面線位移型柱面線位移型柱面線位移型原理原理各種介質(zhì)的各種介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)不同，在電容器不同，在電容器極板間極板間插入不同的介質(zhì)，電容器的插入不同的介質(zhì)，電容器的電容量不同。電容量不同。常用來(lái)測(cè)量液體液位和材料厚度。常用來(lái)測(cè)量液體液位和材料厚度。6.1.3變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是測(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體被測(cè)液位的液體，一部分是，一部分是空氣，空氣，則電容與液位的關(guān)系為：則電容與液位的關(guān)系為： 同軸圓柱形電容器的初始電容為同軸圓柱形電容器的初始電容為:當(dāng)當(dāng)

8、L=0時(shí)，傳感器的初始電容時(shí)，傳感器的初始電容6.1.3變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器 結(jié)構(gòu)形式多樣，可用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的結(jié)構(gòu)形式多樣，可用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、木材等非導(dǎo)電固體介質(zhì)，也可用來(lái)測(cè)量糧食、木材等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的的濕度濕度。兩平行電極兩平行電極固定固定，極距極距 不變，相對(duì)介電常數(shù)為不變，相對(duì)介電常數(shù)為 的電介質(zhì)以的電介質(zhì)以不同深度不同深度插入電容器插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積極板覆蓋面積。傳感器總電容量傳感器總電容量C為為（ ）當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相

9、對(duì)變化量為深度后，引起電容相對(duì)變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系例：某電容式液位傳感器由直徑為例：某電容式液位傳感器由直徑為40mm和和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為是圓柱形，直徑為50cm，高為，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的。被儲(chǔ)存液體的r 1.2。計(jì)算傳感器的最小電。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)傳感器用在該儲(chǔ)存灌內(nèi)時(shí)的靈敏度。容和最大電容以及當(dāng)傳感器用在該儲(chǔ)存灌內(nèi)時(shí)的靈敏度。 儲(chǔ)存灌的容積為：儲(chǔ)存灌的容積為： LmmhdV6 .2352 . 145 . 0422故傳感器的靈敏度為：故傳感器

10、的靈敏度為：LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax6.2 電容式傳感器的主要性能電容式傳感器的主要性能1、靜態(tài)靈敏度、靜態(tài)靈敏度 被測(cè)量緩慢變換時(shí)，傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比被測(cè)量緩慢變換時(shí)，傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比2、非線性、非線性 1、靈敏度、靈敏度由式（由式（6-8）可知，電容的）可知，電容的相對(duì)變化相對(duì)變化：當(dāng)當(dāng) 1時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得輸出輸出電容的相對(duì)變化電容的相對(duì)變化 與與輸入輸入位移位移 間呈現(xiàn)間呈現(xiàn)非線性關(guān)系非線性關(guān)系，當(dāng)，當(dāng) 103kv/mm）或塑料膜來(lái)改善電容

11、器耐壓性能。）或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能。1、靈敏度、靈敏度平板式變面積型平板式變面積型a2、非線性、非線性變極距型變極距型由式（由式（6-8）可知，電容的）可知，電容的相對(duì)變化相對(duì)變化：當(dāng)當(dāng) C2）時(shí)）時(shí)，A點(diǎn)輸出的點(diǎn)輸出的脈沖寬脈沖寬度大于度大于B點(diǎn)點(diǎn)；A、B兩點(diǎn)平均電壓兩點(diǎn)平均電壓UAB0；C1、C2充電時(shí)間充電時(shí)間T1T2. （T1=R1C1）5、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路（差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路）、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路（差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路）6.4 電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）溫度穩(wěn)定性好：溫度穩(wěn)定性好：電容式傳感器常用電容式傳感器常用空氣等氣體作為絕緣介質(zhì)空氣等氣體作為

12、絕緣介質(zhì)，介質(zhì)，介質(zhì)本身的本身的發(fā)熱量非常小發(fā)熱量非常小，可忽略不計(jì)。因此，只需要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等，可忽略不計(jì)。因此，只需要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性進(jìn)行考慮，來(lái)合理選擇材料和幾何尺寸。機(jī)械特性進(jìn)行考慮，來(lái)合理選擇材料和幾何尺寸。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；能在：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；能在高高低溫、強(qiáng)輻射低溫、強(qiáng)輻射及及強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)。等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)。（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：電容式傳感器由于它的電容式傳感器由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即即質(zhì)

13、量很輕質(zhì)量很輕，其，其固有頻率很高固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量。（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)：可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)： 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容電容式傳感器具有式傳感器具有平均效應(yīng)平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響?？梢詼p小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。（5）阻抗高、功率小，需要輸入的動(dòng)作能量低：阻抗高、功率小，需要輸入

14、的動(dòng)作能量低：電容式傳感器由于帶電電容式傳感器由于帶電極板間的極板間的靜電吸引力極小靜電吸引力極小，因此所需要的，因此所需要的輸入能量也極小輸入能量也極小，特別適用于，特別適用于低低能量輸入的測(cè)量能量輸入的測(cè)量。 例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移甚至更小的位移缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差：輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差：電容式傳感器的容量受其電極幾何尺電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，使傳感器的寸等限制，使傳感器的輸出阻抗

15、很高輸出阻抗很高。因此傳感器。因此傳感器帶負(fù)載能力差帶負(fù)載能力差，易受外，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 電容的容抗大還要求傳感器電容的容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此要注意溫度、濕否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此要注意溫度、濕度、清潔度等環(huán)境對(duì)度、清潔度等環(huán)境對(duì)絕緣材料絕緣性能絕緣材料絕緣性能的影響。的影響。（2）輸出特性為非線性：輸出特性為非線性：雖可采用雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。來(lái)改善，但不可能完全消除。

16、其他類(lèi)型的電容傳感器其他類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才成線性，輸出特性才成線性，否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。性非線性。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（3）寄生電容影響大：寄生電容影響大： 傳感器的傳感器的初始電容量初始電容量很小，而其很小，而其引線電纜電容、引線電纜電容、測(cè)量電路的測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電寄生電容容”卻較大，卻較大，降低了傳感器的降低了傳感器的靈敏度靈敏

17、度；這些電容這些電容(如電纜電容如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定傳感器工作不穩(wěn)定，影，影響響測(cè)量精度測(cè)量精度，其變化量甚至，其變化量甚至超過(guò)超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求6.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用1、 差動(dòng)式電容壓力傳感器差動(dòng)式電容壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于作用于膜片膜片并使之產(chǎn)生并使之產(chǎn)生位移位移時(shí)，形成的兩個(gè)電時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，容器的電容量，一個(gè)增一個(gè)增大，一個(gè)減小大，一

18、個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力或壓力差壓力差相對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的電流或電流或電壓的變化電壓的變化。主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)膜片動(dòng)電極膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極固定電極組成的組成的差動(dòng)差動(dòng)電容器電容器。2、 差動(dòng)式電容加速度傳感器差動(dòng)式電容加速度傳感器主要由主要由兩個(gè)固定極板兩個(gè)固定極板（與外殼絕緣）和（與外殼絕緣）和一個(gè)一個(gè)質(zhì)量塊質(zhì)量塊組成；組成；中間的質(zhì)量塊采用中間的質(zhì)量塊采用彈彈簧片簧片來(lái)進(jìn)行支撐，它的來(lái)進(jìn)行支撐，它的兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)磨平拋光兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為后作為可動(dòng)極板可動(dòng)極板。當(dāng)測(cè)量當(dāng)

19、測(cè)量垂直方向垂直方向上的直線上的直線加速度加速度時(shí)，傳感器時(shí)，傳感器的的殼體殼體固定在固定在被測(cè)振動(dòng)體被測(cè)振動(dòng)體上，上，兩個(gè)兩個(gè)固定電極固定電極將相將相對(duì)于質(zhì)量塊對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向運(yùn)動(dòng)，在垂直方向運(yùn)動(dòng)，兩兩固定極板與質(zhì)量塊固定極板與質(zhì)量塊產(chǎn)生產(chǎn)生大小相等，符號(hào)相反的大小相等，符號(hào)相反的增量增量，兩個(gè)增量的差值正比于被測(cè)加速度。兩個(gè)增量的差值正比于被測(cè)加速度。 加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用3、 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器在被測(cè)帶材的在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊各裝設(shè)一塊面積相等、與帶材距離相等的極板面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個(gè)獨(dú)立電容。這樣兩極板與帶材之間形成兩個(gè)獨(dú)立電容。若帶材的若帶材的厚度變化厚度變化，將引起，將引起電容的變化電容的變化，再用，再用交流電橋交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘜㈦娙莸淖兓瘷z檢測(cè)測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大放大，即可由，即可由顯示儀表顯示儀表顯示出帶材厚度的變化，從而實(shí)現(xiàn)帶顯示出帶材厚度的變化，從而實(shí)現(xiàn)帶材厚度的在線檢測(cè)。材厚度的在線檢測(cè)。3、差動(dòng)式電容測(cè)厚