電容式傳感器課件

3.4電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量變化的測(cè)量裝置。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。

工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量。實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍:位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量。13.4電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容3.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測(cè)量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用23.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理23.4.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容式傳感器33.4.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型31.工作原理及類型

S——極板相對(duì)覆蓋面積；

δ

——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)，；

ε

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。δSε41.工作原理及類型S

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。δSε5當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量分類示意圖

c)變介電常數(shù)型a)極距變化型;+++b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++6分類示意圖c)變介電常數(shù)型a)極距變化型;+b)面變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε

)型:（i）～(l)7變極距(δ）型:(a)、(e)72.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則式（3.4.3）可簡(jiǎn)化為若極距縮小△d：最大位移應(yīng)小于間距的1/10。差動(dòng)式改善其非線性。初始電容：82.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則電容量與極板間距離的關(guān)系9電容量與極板間距離的關(guān)系93.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度a方向平移時(shí)，其電容變化量化為：△C與△x間呈線性關(guān)系103.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度a方向電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系。11電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角4.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容：電容式液位傳感器：傳感器的電容量正比于被測(cè)液位的高度h。電容與液位的關(guān)系為：124.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容：電容式液位傳感器當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容：當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L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L呈線性關(guān)系。13當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容：當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度(a)厚度傳感器δx變介電常數(shù)型電容傳感器應(yīng)用原理(a)單組式平板形厚度傳感器厚度傳感器的等效電路CC1C2C3設(shè)固定極板長(zhǎng)度為a、寬度為b、兩極板間的距離為δ；被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)分別為δx和ε

14(a)厚度傳感器δx變介電常數(shù)型電容傳感器應(yīng)用原理(aε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器線位移傳感器等效電路CACBC（b）單組式平板形線位移傳感器設(shè)極板寬度為b，板間無(wú)介質(zhì)ε2時(shí)，傳感器的電容量為：15ε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器線位移傳感器3.4.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度被測(cè)量緩慢變化時(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163.4.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度16對(duì)于變極距型，其靜態(tài)靈敏度為：將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得但d過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kv/mm)，在極間加一層云母片(擊穿電壓>103kv/mm)或塑料膜來(lái)，改善電容器耐壓性能。差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度17對(duì)于變極距型，其靜態(tài)靈敏度為：將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得但d式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。加入介質(zhì)后電容為：18式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；加入介質(zhì)后電容為云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。擊穿電壓:使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。19云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓表1電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)20表1電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)20平板式變面積型b△aab

dkg減小d

、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度21平板式變面積型b△aabd2.非線性變極距型

將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得

222.非線性變極距型將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得22可見，輸出電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|Δd/d|<<1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系：

電容傳感器的靈敏度為：說(shuō)明：?jiǎn)挝惠斎胛灰扑鸬妮敵鲭娙菹鄬?duì)變化的大?。挫`敏度）與d呈反比關(guān)系。d

取值不能大，否則將降低靈敏度。23可見，輸出電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線如果考慮式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差δ為由以上兩式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d，但非線性誤差卻隨著d的減小而增大。

24如果考慮式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則由此可得出傳感器的相對(duì)非動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2差動(dòng)式變間隙型電容傳感器25動(dòng)極板定極板定極板C1d1C2d2差動(dòng)式變間隙動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，26動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，26采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍如果采用容抗作為電容式傳感器輸出量被測(cè)量與d

成線性關(guān)系

無(wú)需滿足27采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很略去高次項(xiàng)，則ΔC/C0與Δd/d近似成為如下的線性關(guān)系：如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng),則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差δ近似為：28略去高次項(xiàng)，則ΔC/C0與Δd/d近似成為如下的線性關(guān)系：差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善線性度得到改善29差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善293.4.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特點(diǎn)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)303.4.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特1、特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 1.溫度穩(wěn)定性好

（電容值與電極材料無(wú)關(guān)，本身發(fā)熱極?。?2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況。311、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):313.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小；

可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移?？蓜?dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕；

其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電。

系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。323.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極?。?4.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),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。334.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。33缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；

傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106～108。 因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。

34缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；34 2、寄生電容影響大

傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度； 另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。35 2、寄生電容影響大352.設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能；消除和減小邊緣效應(yīng)；消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾；盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器。

低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)。362.設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材（1）減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝：

電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）；

電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架

電介質(zhì)：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）；

采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路，這樣可以通過(guò)某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來(lái)減小溫度等誤差。

37（1）減小溫度誤差、保證高的絕緣性能選材、結(jié)構(gòu)、加傳感器密封，用以防塵、防潮。

傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮?？稍陔姌O表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。38傳感器密封，用以防塵、防潮。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，（2）消除和減小邊緣效應(yīng)理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。39（2）消除和減小邊緣效應(yīng)理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均邊緣效應(yīng)

理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只有中間有些區(qū)域勉強(qiáng)是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害,這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。(只針對(duì)平行板電容器)

+-40邊緣效應(yīng)

理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低

產(chǎn)生非線性

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。41邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低產(chǎn)生非線性41等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2－電極3－等位環(huán)等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。42等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳（3）消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外界干擾。寄生電容與傳感器電容并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小。（a）屏蔽和接地（b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。

43（3）消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差； 提高傳感器靈敏度； 減小寄生電容的影響； 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響；44(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差；443.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容R1是極間等效漏電阻；極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗R2C0CPR1L453.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈R1，

R1是極間等效漏電阻。CR146低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略C高頻等效電路電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電阻的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而Re≈R2,R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；R2CL47高頻等效電路電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電阻由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。

48由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，此時(shí)3.4.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路493.4.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路49（1）調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化50（1）調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)

51當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)（2）運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性

Cx-傳感器電容；C-固定電容；U0-輸出電壓信號(hào)。運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACx∑～u052（2）運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證變極距型電容式傳感器的線性。假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

53由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證變極距型電容式傳（3）二極管雙T型電路

54（3）二極管雙T型電路54(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i2，流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。

55(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i2。流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。56(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，UE為電源電壓幅值。可見輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。

在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：57其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。58電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引(4).差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化，通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。59(4).差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器60差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖QBQVD2VD1AR2R1FGC1C6161雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比較器循環(huán)工作62雙穩(wěn)態(tài)R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBF6363uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。64uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中?UA、UC1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得

結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比65C1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性66設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無(wú)線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高67優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高673.4.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器(2)電容式加速度傳感器(3)電容式振動(dòng)位移傳感器Capacitor683.4.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器CP2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

69P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器70高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容各種電容式

差壓變送器外形

71各種電容式

差壓變送器外形71法蘭72法蘭72231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度電容式加速度傳感器73231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。74硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%75微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：75硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）76硅微加工加速度傳感器原理1—加速度測(cè)試單元76

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。77當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用

78a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被電荷平衡式位移傳感器可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。79電荷平衡式位移傳感器可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例79利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh80利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位

投入式水位計(jì)81電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位投入式水位計(jì)81電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套82電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。83電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕84液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈85智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊86加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。87汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈。傳感器安裝位置88利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈。傳感器安裝位置88電容傳聲器傳聲器（Microphone）俗稱話筒，音譯作麥克風(fēng)，是一種聲－電換能器件，可分電動(dòng)和靜電兩類，目前廣播、電視和娛樂(lè)等方面使用的傳聲器，絕大多數(shù)是動(dòng)圈式和電容式。

電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過(guò)前置放大器變換為輸出電壓。它能提供非常高的音響質(zhì)量，頻率響應(yīng)寬而平坦，是高性能傳聲器，但這種傳聲器制造工藝復(fù)雜，價(jià)格高，需外加60-200V的極化電壓源，一般在專業(yè)領(lǐng)域使用較多。

駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器89電容傳聲器傳聲器（Microphone）俗稱話筒，音譯作麥克濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

90濕敏電容利用具有很大吸濕性的絕緣濕敏電容外形吸水高分子薄膜91濕敏電容外形吸水高分子薄膜91濕敏電容模塊及傳感器外形92濕敏電容模塊及傳感器外形92濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型93濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型93指紋識(shí)別指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。右圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖：94指紋識(shí)別指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。指紋識(shí)別間隙變化型95指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的3.4電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量變化的測(cè)量裝置。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。

工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量。實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍:位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量。963.4電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容3.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測(cè)量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用973.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理23.4.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容式傳感器983.4.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型31.工作原理及類型

S——極板相對(duì)覆蓋面積；

δ

——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)，；

ε

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。δSε991.工作原理及類型S

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。δSε100當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量分類示意圖

c)變介電常數(shù)型a)極距變化型;+++b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++101分類示意圖c)變介電常數(shù)型a)極距變化型;+b)面變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε

)型:（i）～(l)102變極距(δ）型:(a)、(e)72.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則式（3.4.3）可簡(jiǎn)化為若極距縮小△d：最大位移應(yīng)小于間距的1/10。差動(dòng)式改善其非線性。初始電容：1032.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則電容量與極板間距離的關(guān)系104電容量與極板間距離的關(guān)系93.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度a方向平移時(shí)，其電容變化量化為：△C與△x間呈線性關(guān)系1053.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度a方向電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系。106電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角4.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容：電容式液位傳感器：傳感器的電容量正比于被測(cè)液位的高度h。電容與液位的關(guān)系為：1074.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容：電容式液位傳感器當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容：當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L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L呈線性關(guān)系。108當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容：當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度(a)厚度傳感器δx變介電常數(shù)型電容傳感器應(yīng)用原理(a)單組式平板形厚度傳感器厚度傳感器的等效電路CC1C2C3設(shè)固定極板長(zhǎng)度為a、寬度為b、兩極板間的距離為δ；被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)分別為δx和ε

109(a)厚度傳感器δx變介電常數(shù)型電容傳感器應(yīng)用原理(aε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器線位移傳感器等效電路CACBC（b）單組式平板形線位移傳感器設(shè)極板寬度為b，板間無(wú)介質(zhì)ε2時(shí)，傳感器的電容量為：110ε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器線位移傳感器3.4.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度被測(cè)量緩慢變化時(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1113.4.2電容式傳感器主要性能1.靜態(tài)靈敏度16對(duì)于變極距型，其靜態(tài)靈敏度為：將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得但d過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kv/mm)，在極間加一層云母片(擊穿電壓>103kv/mm)或塑料膜來(lái)，改善電容器耐壓性能。差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度112對(duì)于變極距型，其靜態(tài)靈敏度為：將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得但d式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。加入介質(zhì)后電容為：113式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；加入介質(zhì)后電容為云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。擊穿電壓:使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。114云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓表1電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)115表1電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)20平板式變面積型b△aab

dkg減小d

、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度116平板式變面積型b△aabd2.非線性變極距型

將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得

1172.非線性變極距型將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得22可見，輸出電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|Δd/d|<<1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系：

電容傳感器的靈敏度為：說(shuō)明：?jiǎn)挝惠斎胛灰扑鸬妮敵鲭娙菹鄬?duì)變化的大?。挫`敏度）與d呈反比關(guān)系。d

取值不能大，否則將降低靈敏度。118可見，輸出電容的相對(duì)變化量ΔC/C0與輸入位移Δd之間成非線如果考慮式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差δ為由以上兩式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d，但非線性誤差卻隨著d的減小而增大。

119如果考慮式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則由此可得出傳感器的相對(duì)非動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2差動(dòng)式變間隙型電容傳感器120動(dòng)極板定極板定極板C1d1C2d2差動(dòng)式變間隙動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，121動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，26采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍如果采用容抗作為電容式傳感器輸出量被測(cè)量與d

成線性關(guān)系

無(wú)需滿足122采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量差動(dòng)式的非線性得到了很略去高次項(xiàng)，則ΔC/C0與Δd/d近似成為如下的線性關(guān)系：如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng),則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差δ近似為：123略去高次項(xiàng)，則ΔC/C0與Δd/d近似成為如下的線性關(guān)系：差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善線性度得到改善124差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善293.4.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特點(diǎn)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)1253.4.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特1、特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 1.溫度穩(wěn)定性好

（電容值與電極材料無(wú)關(guān)，本身發(fā)熱極?。?2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況。1261、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):313.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極?。?/p>

可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移?？蓜?dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕；

其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電。

系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。1273.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極?。?4.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),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。1284.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。33缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；

傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106～108。 因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。

129缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；34 2、寄生電容影響大

傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度； 另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。130 2、寄生電容影響大352.設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能；消除和減小邊緣效應(yīng)；消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾；盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器。

低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)。1312.設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材（1）減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝：

電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）；

電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架

電介質(zhì)：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）；

采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路，這樣可以通過(guò)某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來(lái)減小溫度等誤差。

132（1）減小溫度誤差、保證高的絕緣性能選材、結(jié)構(gòu)、加傳感器密封，用以防塵、防潮。

傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮?？稍陔姌O表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。133傳感器密封，用以防塵、防潮。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，（2）消除和減小邊緣效應(yīng)理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。134（2）消除和減小邊緣效應(yīng)理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均邊緣效應(yīng)

理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只有中間有些區(qū)域勉強(qiáng)是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害,這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。(只針對(duì)平行板電容器)

+-135邊緣效應(yīng)

理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低

產(chǎn)生非線性

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。136邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低產(chǎn)生非線性41等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2－電極3－等位環(huán)等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。137等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳（3）消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外界干擾。寄生電容與傳感器電容并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小。（a）屏蔽和接地（b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。

138（3）消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差； 提高傳感器靈敏度； 減小寄生電容的影響； 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響；139(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差；443.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容R1是極間等效漏電阻；極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗R2C0CPR1L1403.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈R1，

R1是極間等效漏電阻。CR1141低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略C高頻等效電路電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電阻的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而Re≈R2,R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；R2CL142高頻等效電路電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電阻由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。

143由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，此時(shí)3.4.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路1443.4.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路49（1）調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化145（1）調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)

146當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)（2）運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性

Cx-傳感器電容；C-固定電容；U0-輸出電壓信號(hào)。運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACx∑～u0147（2）運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證變極距型電容式傳感器的線性。假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

148由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證變極距型電容式傳（3）二極管雙T型電路

149（3）二極管雙T型電路54(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i2，流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。

150(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i2。流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。151(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，UE為電源電壓幅值?？梢娸敵鲭妷翰粌H與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。

在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：152其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。153電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引(4).差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化，通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。154(4).差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器155差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖QBQVD2VD1AR2R1FGC1C15661雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比較器循環(huán)工作157雙穩(wěn)態(tài)R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBF15863uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。159uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中?UA、UC1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得

結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比160C1、C2的充電時(shí)間式中Ur──觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性161設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無(wú)線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高162優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高673.4.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器(2)電容式加速度傳感器(3)電容式振動(dòng)位移傳感器Capacitor1633.4.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器CP2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

164P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器165高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容各種電容式

差壓變送器外形

166各種電容式

差壓變送器外形71法蘭167法蘭72231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度電容式加速度傳感器168231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。169硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000H