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1、绪 论电容式传感器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。特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。应用：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。第1页/共69页4.1 电容式传感器的工作原理和特性工作原理及类型电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为0rSSCdd +Srd_第2页/共69页可见：在可见：在S、d、三个参量中，改变其中任意
2、一个量，均可三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数改变。也就是说，如果被检测参数( (如位移、压力、如位移、压力、液位等液位等) )的变化引起的变化引起S、d、三个参量中之一发生变化，就可三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：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。第3页/共69
3、页电容传感器特性分析1.变极距型电容传感器00000rSSCdd 设初始电容为：设初始电容为：当间隙d0减小d时,则电容量增大C，则：0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 电容的相对变化为：00011CddCdd第4页/共69页23000001.CddddCdddd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：0/1d d可见，电容可见，电容C C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。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：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：00CdCd0
4、0/1C CKdd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距的减小而增大第5页/共69页如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差：性误差： 2000(/)100%/100%/Ld dd dd d 由以上分析可知：变极距型电容式传由以上分析可知：变极距型电容式传感器只有在感器只有在d/d0很小时，才有近似的很小时，才有近似的线性输出。线性输出。 Cdd0ddC1C2C1C2如图，极距变化相同值如图，极距变化相同值d所对应的电容变所对应的电容变化量化量不同不同非线性随极板间距的减小而增大第6页/共69页为了提高灵敏
5、度和减小非线性，为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器，常采用差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。其原理结构如图所示。 工作时差动电容器总电容变化为： 0012020000121SSdCCCCddddddd 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：0/1d d24000021CdddCddd 第7页/共69页略去非线性高次项，得：002CdCd 变极距差动电容式传感器的灵敏度K为0002C CKdd 变极距差动电容传感器的非线性误差L近似为%100
6、dd%100)d/d(2)d/d(220030L 可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有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。 第8页/共69页2.变面积的电容式传感器第9页/共69页第10页/共69页 （1）用于线位移测量的电容式传感器0 xb axb xCCdd当动极板移动后当动极板
7、移动后, ,极板相对有效面极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：积发生变化，对应的电容值为：00 xb xxCCCCda Cbkxd 灵敏度：灵敏度：灵敏度为常数第11页/共69页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,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。其电容计算式为： 2ln(/)xCD d 0222()2ln(/)ln(/)ln(/)ln(/)LxLxxCCCD dD dD dD d当重叠长度x变化时，电容量变化为：2(/ )CKxln D d灵敏度为： 可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电
8、容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。第12页/共69页（2）用于角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移 时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。 00CCCC 000()(1)SSCCd当转动角时， 00SCd当当 =0=0时，时，0CCK 灵敏度：灵敏度：角位移式电容传感器的输出特角位移式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度性是线性的，灵敏度K K为常数。为常数。第13页/共69页3.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 电容式液位传感器图示同轴圆柱形电容器的初始电容为:00212()hCln r r1212()xhCln r r02212()()xh hC
9、ln r r测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的电容，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: :第14页/共69页00021212121000022()22 ()()()()()()xxxxxhh hhhCln r rln r rln r rln r rCChh 可见，电容C理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位高度。另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。设电容器极板面积为S，间隙为a，当有一厚度为d，相对介电常数为
10、 r的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：0001rrSCadddadSS 第15页/共69页（1)若改变固体介质的相对介电常数 ， 则有电容量的相对变化为:rrr23232333111rrrrrrrrrrrrCNCNNNNN211/rNadd311/rNdad其中， ，为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。而增大；第16页/共69页（2）若传感器保持 r不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时442444111CdNdCdNddddNNNddd其中，411/rrNadd，为灵敏度因子和非线性因子。 第17页/
11、共69页（3）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为00rSCd ，则， ,即rrr rCCCC0000rrrrSSCCCCdd 若0rSCd 可见，与 r 成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。第18页/共69页4.2 电容式传感器的特点及设计要点(1)(1)温度稳定性好温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素特性考虑
12、，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素( (因因本身发热本身发热极小极小) ) 影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；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.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 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在
13、高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对能测超高压和低压差，也能对带磁带磁工件进行测量。此外传感器可以工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，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。电容传感器的特点第19页/共69页 （3 3）静电引力小）静电引力小 电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距
14、离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对推极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对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造成的测量误差。 (4)(4)动态响应好动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-10-5N5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，固有频率很高，动态响应时间短，能在几能在
15、几MHzMHz的频率下工作，特别适合动态测量。的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。第20页/共69页 (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 当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下, ,电容传感器可以电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时完成测量任务。当采用非接触测量时, ,电容式传感器具有平均效电容
16、式传感器具有平均效应应, ,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。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需极小，因此所需输入能量极小输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，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。 第21页/共69页 (1) (1)输出阻抗高，负载能
17、力差输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百到几百pFpF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达交流电源时，输出阻抗高达10106 610108 8。因此传感器负载能力差，。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器
18、绝缘部分的电阻值极高（几十感器绝缘部分的电阻值极高（几十MM以上），否则绝缘部分将以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，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.电容式传感器的缺点第22页/共69页 (3) (3)输出特性非线性输出特性
19、非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的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。 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得
20、到克服。电容传感器正电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量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 传感器的初始电容量很小，而其引线传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l(l2m2m导线可达导线可达800pF)800pF)、测量电路的、测量电路的杂散电容杂散电容以及以及传感器极板与其周围导体构成传感器极板与其周围导体构成的电容的电容等等“寄生电容寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度；这却较大，
21、降低了传感器的灵敏度；这些电容些电容( (如电缆电容如电缆电容) )常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，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、接法有要求第23页/共69页电容传感器设计要点电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过确设计、选材以及精细的加工工艺分不开
22、的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、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缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差也增加。边缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差也增加。为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护环的为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护环的结构，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
23、 （b b）带保护环的电容传感器结构）带保护环的电容传感器结构第24页/共69页 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 减小减小环境温度、湿度环境温度、湿度等变化所产生的误差等变化所产生的误差, ,以保证绝缘材料的以保证绝缘材料的绝缘性能绝缘性能, ,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变某些介质的介电常数发生改变, ,从而改变传感器的电容量从而改变传感器的电容量, ,产生温产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须
24、从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。材料具有高的绝缘性能。 电容式传感器的电容式传感器的金属电极的材料金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，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。传感器内传感器内电极表面电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。若在电极表面镀以
25、极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、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。第25页/共69页 传感器内，传感器内，电极的支架电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电
26、阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。好的绝缘性能，可以考虑选用。 尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质电介质（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们
27、液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子电路的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。加以补偿，但无法完全消除。 第26页/共69页在可能的情况下在可能的情况下, ,传感器内尽量采用传感器内尽量采用差动对称差动对称结构结构, ,这样可以通过这样可以通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。 选用选用50kHz50kHz至几至几MHzMHz作为电容传感器的作为电容传感器的电源频率电源频率，以降低对传感，以降低对传感器绝缘部分的
28、绝缘要求。器绝缘部分的绝缘要求。 传感器内所有的传感器内所有的零件零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。传密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。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。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法：用方法： 3消除和减小寄生电容的影响第27页/共69
29、页 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距采用减小极片或极筒间的间距( (平板式间距为平板式间距为0.20.5mm，圆筒，圆筒式间距为式间距为0.15mm) )，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在范围内，相对值变化在 10-61范围范围内。内。 （1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采
30、用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术（5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法第28页/共69页 （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。图中可动极图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的从而消除了由此产生的虚假信号。虚假信号。 引线电缆也必须
31、屏引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。电路前置级的距离。 绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图第29页/共69页 （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 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因( (如环境温度如环境温度较高较高) )，测量电路只能与传感器分开时，可采用，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动
32、电缆驱动电缆”技技术。传感器与测量电路前置级间的引线为术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其，其内屏内屏蔽层蔽层与信号传输线与信号传输线( (即电缆芯线即电缆芯线) )通过通过1:11:1放大器成为等电位，从放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆驱动电缆”。采用这种。采用这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
33、）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。低温或环境差的场合使用。 第30页/共69页外屏蔽层外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是蔽层之间的电容是1:11:1放大器的负载。放大器的负载。1:11:1
34、放大器是一个输入阻抗放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(1(准确度要求达准确度要求达1/100001/10000) )的同相的同相( (要求相移为零要求相移为零) )放大器。因此放大器。因此“驱动电缆驱动电缆”技术对技术对1:11:1放放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于小于1pF1pF时，也能正常工作。时，也能正常工作。 1：1测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”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( (几百几百
35、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。 第31页/共69页（5 5）整体屏蔽法）整体屏蔽法 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整防止外界的干扰。下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固
36、定辅助阻抗臂体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂 Z Z3 3和和Z Z4 4中间，中间，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的容抗小得多，则寄生的容抗小得多，则寄生电容电容C CP1P1和和C CP2P2对电桥平衡对电桥平衡状态的影响就很小。状态的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A第32页/共69页 最易满足上述要求的是变压器电桥，这时最易满足上述要求的是变压器
37、电桥，这时Z Z3 3和和Z Z4 4是具有中心是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z Z3 3和和Z Z4 4的电流大小基的电流大小基本相等但方向相反。因本相等但方向相反。因Z Z3 3和和Z Z4 4在结构上完全对称，所以线圈中的在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零，合成磁通近于零，Z Z3 3和和Z Z4 4仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容很小。结果寄生电容C Cplpl和和C Cp2p2对对Z Z3 3和和Z Z4 4的分路作用即可被削弱到很的分路作用即可被削弱到很低的程度而
38、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。 还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容容传感器两电容C C1 1和和C C2 2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m10m以上时仍能测出以上时仍能测出 1pF1pF的电容。的电容。 电容式传感器的原始电容值较大（几百电容式传感器的原始电容
39、值较大（几百pFpF）时，只要选择适）时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达10m10m时，传时，传感器也能正常工作。感器也能正常工作。 第33页/共69页 4 4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当外界干扰当外界干扰( (如电磁场如电磁场) )在传感器上和导线之间感应出电压并与信在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地
40、电压差也是一种干扰信号，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屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。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导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。u尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。制线。u采用差动式电容传感器，采
41、用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，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：第34页/共69页4.3电容式传感器的等效电路 电容式传感器的全等效电路如图所示。图电容式传感器的全等效电路如图所示。图中，中，L为包括引线电缆的电感和电容式传感为包括引线电缆的电感和电容式传感器本身的电感；器本身的电感；r包括引线电阻、极板电阻和包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻；金属支架电阻；Rg是极间等效漏电阻，包含是极间等效漏电阻，包含极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界极板间的漏电损耗和介
42、质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗；间的漏电损耗和介质损耗；C0为传感器本身为传感器本身的电容；的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极为引线电缆、所接测量电路及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。电容式传感器电容量一般很小，容抗很大，而工作频率一般较高，电容式传感器电容量一般很小，容抗很大，而工作频率一般较高，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11CeZj Lj Cj C式中，式中，C C= =C CP P+ +C C0 0第35页/共69页21eCCLC则等效电容为211eeCCCCLC实际电容相对变化为
43、22/111eeeCCC CKKddLCLC因此实际的灵敏度为可见电容传感器的等效灵敏度Ke与传感器的固有电感L有关，且随变化而变化。因此，在实际应用前必须要进行标定，否则将会引入测量误差。第36页/共69页4.4电容式传感器的测量电路调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。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。01012()ifffL CCCC调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量，易于用数字仪器测量，并与计算机通
44、讯，抗干扰能力强。当电容发生变化时，频率变为当电容发生变化时，频率变为01012()ifL CCC当被测信号为零时当被测信号为零时, ,C C=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: :第37页/共69页4.4.2 交流电桥测量电路变压器电桥具有使用元件最少，桥路内阻最小的特点。电桥输出电压为: 1112012121202122222xxxxxxxxxxCCCCEEEEECUCCCCCCC002EdUd0U若传感器为变极距式差动电容传感器，则电桥输出为：经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压USC大小与位移成线性关系，其正负极性反映位移的方向。第38页/
45、共69页00000 ,0 :11aixxxUIUjICUjICII 由0000;ixxiCUUCSCdCUUdS 解 得 :而代 入 上 式 得 :CxC0 Ixui aI0 b -Ku0运算放大器式测量电路第39页/共69页4.4.4二极管双T型交流电桥当UE为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电;在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电， 流过RL的电流为I1。UE在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1 =I2，且方向相反，在一
46、个周期内流过RL的平均电流为零。第40页/共69页若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成一阶电路 当供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波，可直接得到流过电容C2的电流iC2：221()exp()()LLCELLLLRR RtiUR RRR RR RRR R C正半周电流iC2的平均值IC2可以写成：22222002111TLCCCELRRIi dti dtU CTTT RR第41页/共69页1121LCELRRIU CT RR同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为012122(2)()()()LLLECCLLRRRRRRUUIICCRRTRR故在负载RL上产
47、生的电压为：2(2)()LLLRRRRRR012()EUKfUCC当RL已知时，为常数，设为K，则：式中，f电源电压的频率。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，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。 第42页/共69页差动脉冲调宽电路如图如图, ,C C1 1、C C2 2为传感器的差为传感器的差动电容，当电源接通时，动电容，当电源接通时，设双稳态触发器的设双稳态触发器的A A端为高端为高电位，电位，B B端为低电位，因此端为低电位，因此A A点通过点通过R R1 1对对C Cl l充电，直至充电，直至F F点上的电位
48、等于参考电压点上的电位等于参考电压U Ur r时，比较器时，比较器A A1 1产生一个脉产生一个脉冲，触发双稳态触发器翻冲，触发双稳态触发器翻转，转，A A点成低电位，点成低电位，B B点成点成高电位。此时高电位。此时F F点电位经点电位经二极管二极管V VD1D1迅速放电至零，而同时迅速放电至零，而同时B B点的高电位经点的高电位经R R2 2向向C C2 2充电。当充电。当G G点点的电位充至的电位充至U Ur r时，比较器时，比较器A A2 2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A A点成高电位，点成高电位，B B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，
49、在点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，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。 第43页/共69页C1C2 时 C1C2 时 第44页/共69页当电阻R1= R1=R时， 则为： 120112CCUUCCuAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压U0 11211210121212()TUTUTT UUTTTTTT1112211211lnln;rrRCUR CUTTUUUU式中：如果是变间隙式，则： 因为： d1= d0+d; d2= d0-d; d1+d2= d0；则：120112ddUUdd0
50、10dUUd第45页/共69页4.5电容式传感器的应用1电容式接近开关 第46页/共69页齐平式齐平式 非齐平式非齐平式电容式接近开关外形非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。高于安装支架，易损坏。第47页/共69页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第48页/共69页 电容式接近开关在物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示演示第49页/共69页图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工