《电容式传感器》PPT课件.pptx

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1、第第3章章 电容式传感器电容式传感器3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理1 1、平板电容器的工作原理、平板电容器的工作原理 电容器的基本原理可以分为以下两种情况电容器的基本原理可以分为以下两种情况：用两块用两块金属平板作电极金属平板作电极，可构，可构成最简单的平板式电容器。当忽成最简单的平板式电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为略边缘效应时，其电容量为 极板间介质的介电常数极板间介质的介电常数 极板间相互覆盖面积极板间相互覆盖面积 两极板间距离两极板间距离 真空的介电常数真空的介电常数 介质的相对介电常数介质的相对介电常数

2、对于空气介质对于空气介质若若 单位为单位为 ，d的单位为的单位为cm，C的单位为的单位为pF，则，则3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理 由平板电容器原理由平板电容器原理 可知，在可知，在三个参数中保持其中两个不变，改变另一个参数就可以三个参数中保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量使电容量C改变。这就是电容式传感器的基本原理。改变。这就是电容式传感器的基本原理。极板间介质的介电常数极板间介质的介电常数 极板间相互覆盖面积极板间相互覆盖面积 两极板间距离两极板间距离1 1、平板电容器的工作原理、平板电容器的工作原理

3、3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理2、同轴圆柱形电容器、同轴圆柱形电容器 由由两个同心圆柱状极板两个同心圆柱状极板构成同轴圆柱形电容器构成同轴圆柱形电容器 两圆柱极介质的介电常数两圆柱极介质的介电常数h 圆柱电容器高度圆柱电容器高度R 外圆柱半径外圆柱半径r 内圆柱半径内圆柱半径3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点1、变面积（、变面积（S）型）型 可以通过可以通过角位移角位移 和和直线直线(x)(x)位移位移的变的变化来改变两

4、极板之间的化来改变两极板之间的覆盖面积覆盖面积S S角角位位移移式式直直线线位位移移式式3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点1、变面积（、变面积（S）型）型角位移式角位移式 改变一个改变一个 角，则角，则线性关系线性关系3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点1、变面积（、变面积（S）型）型直线位移式直线位移式（x）当其中一极板移动距离当其中一极板移动距离x时，时，线性关系线性关系3.1 3.1 电容式传感器

5、的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点特点：特点：上述电容上述电容 与角位移与角位移 ，与直线位移，与直线位移x x均呈线性关系均呈线性关系上述电容器灵敏度上述电容器灵敏度K其大小均与初始值其大小均与初始值 有关有关变化位移量（变化位移量（x x或或 ）不能太大，否则会产生非线性）不能太大，否则会产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的缘故特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的缘故上述电容器大多用来检测位移等参数上述电容器大多用来检测位移等参数3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3

6、.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点与与调谐旋钮调谐旋钮联动联动的是一个的是一个旋转式旋转式可变电容器可变电容器3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点2 2、变介质介电常数、变介质介电常数 型型如图所示，此电容器电容量相当于两如图所示，此电容器电容量相当于两个电容个电容 和和 串联串联。平行板电容器平行板电容器其中，其中，为两极板间两种介质为两极板间两种介质 的厚度的厚度3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电

7、容式传感器类型及其特点2 2、变介质介电常数、变介质介电常数 型型 当介电常数当介电常数 或或 发生变化，则发生变化，则电容电容C随随之而变。如果之而变。如果 为空气介电常数，为空气介电常数，为待测体的介电常数，当待测体厚为待测体的介电常数，当待测体厚度度 不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪；若待不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪；若待测体介电常数测体介电常数 不变时，可作为测厚仪使用。不变时，可作为测厚仪使用。3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点2 2、变介质介电常数、变介质介电常数

8、型型同轴圆柱状电容器同轴圆柱状电容器 同心圆柱状极板同心圆柱状极板1、2放入被测介放入被测介质中，容器内介质的介电常数为质中，容器内介质的介电常数为 ，容器介质上面气体的介电常数为，容器介质上面气体的介电常数为 ，当容器内液面变化时，两极板间，当容器内液面变化时，两极板间电容量电容量C就会发生变化。就会发生变化。总的电容总的电容C等于等于气体介质间的电容气体介质间的电容量量和和液体介质间电容量液体介质间电容量之和（之和（并联并联）气体介质间的电容量气体介质间的电容量h极板电极总高度极板电极总高度R、r两同心圆电极半径两同心圆电极半径3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3

9、.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点2 2、变介质介电常数、变介质介电常数 型型同轴圆柱状电容器同轴圆柱状电容器液体介质间的电容量液体介质间的电容量则总容量为：则总容量为：令令则则传感器电容量传感器电容量C与液位高度与液位高度 成线性关系，可用来做液位成线性关系，可用来做液位的测量的测量电容液面计电容液面计3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/料位计）料位计）3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理

10、3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点3、变极板间距（、变极板间距（d）型）型 图中图中极板极板1固定不动，极板固定不动，极板2为可动电极为可动电极(即称即称动片动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距板间距 变化，从而使电容量产生变化。变化，从而使电容量产生变化。单极式平行板电容器单极式平行板电容器设动片设动片2未动时极板间距为未动时极板间距为 ，初始电容量为，初始电容量为 ，则，则空气介电常数空气介电常数当变化一个当变化一个 时时 ，产生一个，产生一个3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3

11、.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点3、变极板间距（、变极板间距（d）型）型单极式平行板电容器单极式平行板电容器当变化一个当变化一个 时时 ，产生一个产生一个 ，则，则那么，那么，分母进行泰勒级数展开分母进行泰勒级数展开3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点得得忽略高次项忽略高次项结论结论a)a)上述表明，在上述表明，在 条件下，电容的变化量条件下，电容的变化量 与与极板间距变化量极板间距变化量 近似呈线性关系；近似呈线性关系；b)b)非线性误差与非线性误差与 大小有

12、关；大小有关；一般一般 ，相对应的，相对应的 因此这种结构的电容传感器非线性误差较大，适用于微小位移的测量。因此这种结构的电容传感器非线性误差较大，适用于微小位移的测量。3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点c)灵敏度灵敏度 为了克服上述灵敏度为了克服上述灵敏度K和非线性误差之和非线性误差之间的矛盾，可采用差动式结构的电容器。间的矛盾，可采用差动式结构的电容器。显然显然 越小，灵敏度越高，但是非线越小，灵敏度越高，但是非线性误差性误差 会增大，存在误差。会增大，存在误差。双板式差动电容器双板式差动电容

13、器 两块定板和中间一块动板两块定板和中间一块动板组成差动结构。组成差动结构。初始：动板在中间位置，则初始：动板在中间位置，则 3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点设动板上移设动板上移 ，则，则 增加一个增加一个 ，减小一个减小一个 按泰勒级数展开得，按泰勒级数展开得，则则 3.1 3.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理3.1.2 3.1.2 电容式传感器类型及其特点电容式传感器类型及其特点则则 差动输出差动输出 为：为：忽略高次项，整理得：忽略高次项，整理得：结论结论a)a)上述差动式

14、电容器灵敏度上述差动式电容器灵敏度 是原来的是原来的2倍关系，提高了一倍。倍关系，提高了一倍。b)b)非线性误差非线性误差该数值减小了一个数量级。所以差动方式可以减小非线性误差，即系统误差该数值减小了一个数量级。所以差动方式可以减小非线性误差，即系统误差3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路则则 传感器电容传感器电容 包括电极间直流电阻和气隙中介质损包括电极间直流电阻和气隙中介质损耗的等效电阻，耗的等效电阻，等效漏电阻等效漏电阻 传感器各连线端间总电感传感器各连线端间总电感 引线电阻、金属接线柱电阻及电容极引

15、线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和。板电阻之和。等效阻抗：等效阻抗：考虑到考虑到3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路则则 等效电容等效电容结论结论a)a)电容器传感器等效电容量电容器传感器等效电容量 与与 有关，即有关，即电源频率电源频率变化变化引起传感器电容量变化。引起传感器电容量变化。b)b)电容器传感器等效电容量电容器传感器等效电容量 与与 有关，即有关，即引线长度引线长度变化变化也会引起传感器电容量变化，以上在实际测量也会引起传感器电容量变化，以上在实际测量时应该引起注意。时应该引起注意。因此

16、，电容传感器的标定和测量必须在同样条件下进行，即因此，电容传感器的标定和测量必须在同样条件下进行，即线路中导线实际长度等条件在测试时和标定时应该一致线路中导线实际长度等条件在测试时和标定时应该一致3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 1 1、作用和形式、作用和形式 作用作用：电容传感器产生的电容传感器产生的电容值一般十分微小电容值一般十分微小(几皮法几皮法 至几十皮法至几十皮法)，这样微小的电容不便直接显示、记录，这样微小的电容不便直接显示、记录及传输及传输。测量电路的作用就是将电容传感器产生的测量电路

17、的作用就是将电容传感器产生的电容变电容变 化量化量 转换成正比关系的电压、电流或频率信号。转换成正比关系的电压、电流或频率信号。形式形式 测量电路的形式很多，目前常用典型线路有三种：测量电路的形式很多，目前常用典型线路有三种：a)a)调制型：调制型：交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器。交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器。3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 b)b)脉冲型：脉冲型：差动脉冲宽度调制电路。差动脉冲宽度调制电路。c)c)运算放大器型：运算放大器型：运算法测量电路。

18、运算法测量电路。（电容充放电电路）（电容充放电电路）2 2、交流不平衡电路分析、交流不平衡电路分析 电容传感器阻抗电容传感器阻抗 固定阻抗固定阻抗 电桥输出电压电桥输出电压 电源电压（设电源内阻为零）电源电压（设电源内阻为零）1）交流不平衡电桥是交流不平衡电桥是电容传感器最电容传感器最基本的一种测量电路基本的一种测量电路3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 如同单臂桥的分析方法一样，得如同单臂桥的分析方法一样，得设初始桥平衡输出设初始桥平衡输出平衡条件：平衡条件：当被测参数变化时，引起传感器阻抗产生一当

19、被测参数变化时，引起传感器阻抗产生一个个 变化，即变化，即3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 考虑考虑 忽略分母中忽略分母中 因素后得因素后得式中，式中，桥臂比（复数）桥臂比（复数）传感器相对变化量（实数）传感器相对变化量（实数）桥臂系数（复数）桥臂系数（复数）3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 设：设：桥臂比是复数形式桥臂比是复数形式2）上述分析，知道电桥输出上述分析，知道电桥输出 是一个交流值，是一个交流

20、值，且与桥臂系数且与桥臂系数 有关，下面分析有关，下面分析 是如何影是如何影响电桥输出的响电桥输出的所以所以其中，其中，复数复数 的相角的相角复数复数 的模值的模值3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 桥臂系数是复数形式桥臂系数是复数形式所以所以其中，其中，复数复数 的相角的相角复数复数 的模值（要提高输出，必须增大的模值（要提高输出，必须增大k值）值）通过计算（将通过计算（将 代入桥臂系数代入桥臂系数 表达式中），得表达式中），得可知，可知，k和和r均是均是 的二元函数，可的二元函数，可用作图来分析用

21、作图来分析3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 a)a)如图所示，以如图所示，以 为参变量作模为参变量作模k和和a的关系曲线的关系曲线结论：结论：当当 时，不论时，不论 为何值为何值 其中，其中，3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 b)b)如图所示，以如图所示，以 为参变量作相角为参变量作相角r和和a的关系曲线的关系曲线结论：结论：当当 时，相位角时，相位角 或或 时，相角时，相角表示输出表示输出 与电源与电源

22、E同相位同相位当当 时，相位角时，相位角 3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 时时 越大，越大，值越大，桥输出值值越大，桥输出值越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在满足越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在满足 的条件下，增大两桥臂阻抗的条件下，增大两桥臂阻抗 的幅角差的幅角差 值。值。c)c)以上分析得出结论以上分析得出结论 时，桥输出时，桥输出 与电源与电源E同相位同相位3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则

23、3 3）常用各种形式交流电桥）常用各种形式交流电桥 的电压灵敏度和相位的电压灵敏度和相位 如图所示常用交流电桥的如图所示常用交流电桥的形式，根据上述原则，分析形式，根据上述原则，分析各种形式的电桥电压灵敏度各种形式的电桥电压灵敏度以及相位情况。以及相位情况。图图a，b中，中，a=1，则则 所以所以 ，且与电源且与电源 同相位同相位3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路则则 图图c中，中，a=1，则则 所以所以 ，且与电源，且与电源 同相位同相位图图d中，采用了差动式电中，采用了差动式电容传感器，且容传感器，且

24、a=1，所以所以 且与电源且与电源 同相位同相位3 3、二极管环形检波电路分析（又称相敏检波电路）、二极管环形检波电路分析（又称相敏检波电路）1）作用：作用：环形检波电路环形检波电路的作用，其的作用，其输出信号不仅能输出信号不仅能反映输入信号的大小反映输入信号的大小，还能反映其相应的极性还能反映其相应的极性，下面我们来分析该电路的工作过程下面我们来分析该电路的工作过程3.2.1 3.2.1 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路上述上述交流不平衡电桥交流不平衡电桥作为电容传感器测量电路，其作为电容传感器测量电路，其输输出为交流信号出为交流信号，故，故不能判断输入传感器信号的极性不能判断输入传

25、感器信号的极性，不能反映被测参数的变化方向。而只能表达输入信号不能反映被测参数的变化方向。而只能表达输入信号的大小（或称被测参数的变化大小）所以必须的大小（或称被测参数的变化大小）所以必须还要经还要经过相敏检波电路和低通滤波器过相敏检波电路和低通滤波器，才能最后得到反映输，才能最后得到反映输入信号大小和极性的输出信号。入信号大小和极性的输出信号。3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路2 2）电路的组成）电路的组成振荡器原边线圈振荡器原边线圈Tp Tp 付边线圈付边线圈L1L1、L2L2D1D4 检波二极管检波二极管A1 A1 稳幅放大器稳幅放大器A2 A2 比例放大器比例

26、放大器一对差动电容传感器一对差动电容传感器恒压、恒流源恒压、恒流源电流转换器电流转换器3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3）过程分析过程分析 ：振荡器激励（交流正弦）振荡器激励（交流正弦）电压经变压器原边电压经变压器原边TpTp加在副边加在副边L1L1和和L2L2，感应产生正弦电压，感应产生正弦电压e e，并通过，并通过 （考虑电容（考虑电容 的阻抗的阻抗 回路中的其它阻抗）产生的回路电流分别为回路中的其它阻抗）产生的回路电流分别为（其中（其中 为激励电源的角频率）为激励电源的角频率）a)a)正弦电压正弦电压e e上半周时上半周时 二极管二极管D1D1、D4 D4 导

27、通，导通，D2D2、D3D3截至截至则则原理图原理图 3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路b)b)正弦电压正弦电压e e下半周时下半周时 二极管二极管D2D2、D3 D3 导通，导通，D1D1、D4D4截至截至则则c)c)放大器放大器A1A1（稳幅放大器）（稳幅放大器）A A、B B两端的输入电压两端的输入电压所以所以原理图原理图3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路d)d)稳幅放大器稳幅放大器A1A1的稳幅作用（稳定正弦电压的稳幅作用（稳定正弦电压e e的幅值）的幅值）当正弦电压当正弦电压 回路电流回路电流 （放大器（放大器A1A1的输入信号）的

28、输入信号）（放大器（放大器A1A1的输出信的输出信号）即振荡器的输出正弦电压号）即振荡器的输出正弦电压 最后放大器最后放大器A1A1的的输入变化信号输入变化信号 稳定作用稳定作用 通过上述的变化，可以起到正弦电压通过上述的变化，可以起到正弦电压e e的稳定作用。的稳定作用。原理图原理图3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 信号电流信号电流 流经流经 时，在时，在 分压，产生分压，产生的输入信号电压（右的输入信号电压（右 左）左）A2A2放大器的输入电压包括以下几个方面：放大器的输入电压包括以下几个方面：信号电压加在信号电压加在A2 A2 同相端；同相端；调零电压加在调零

29、电压加在A2 A2 反相端；反相端；产生的固定电压加在产生的固定电压加在A2 A2 同相端；同相端；反馈电压反极性加在反馈电压反极性加在A2A2同相端，同相端，I I为输出信号。为输出信号。原理图原理图e)e)比例放大器比例放大器A2A2的输入信号分析的输入信号分析3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路当当 （稳定时）（稳定时）由由得得同时，同时，（1）式）式（2）式）式（1）式）式=（2）式）式原理图原理图 信号电压加在信号电压加在 A2 A2 同相端；同相端；3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路f)f)比例放大器比例放大器A2A2的输入输出关系

30、分析的输入输出关系分析知道知道A2A2放大器输入综合信号后（理想放大器），那么放大器输入综合信号后（理想放大器），那么（输出电流）（输出电流）当差动电容传感器变化时：当差动电容传感器变化时：原理图原理图3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路则则g)结论结论差动电容器其输出电流差动电容器其输出电流I I正比于正比于 （线性转换）；（线性转换）；调节，可改变比例放大系数，量程大小调节；调节，可改变比例放大系数，量程大小调节；调节，起到调零作用；调节，起到调零作用；调节，改变输出起始电流大小。调节，改变输出起始电流大小。原理图原理图3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传

31、感器的测量电路4 4、差动脉冲宽度调制电路（又称电容充放电电路）、差动脉冲宽度调制电路（又称电容充放电电路）1 1）作用：）作用：同二极管式线路相似，将差动电容传感器同二极管式线路相似，将差动电容传感器的输出变化信号转换成有的输出变化信号转换成有极性方向极性方向和和大小大小输出的输出的直流信号直流信号。2 2）组成：）组成：双稳态触发器双稳态触发器 差动电容传感器电容差动电容传感器电容 比较器比较器 为参考电压为参考电压 3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3）过程分析过程分析则则 ：a)a)上电后（接上电源）设双稳上电后（接上电源）设双稳态触发器态触发器A A端（端（

32、Q Q端）高电平，端）高电平，则则B B端（端（端）低电平端）低电平 3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 以上过程不断重复，则在以上过程不断重复，则在双稳态触发器双稳态触发器A A、B B两端各自两端各自产生一个宽度受产生一个宽度受 电容大电容大小变化的，宽度不等的方波小变化的，宽度不等的方波脉冲，具体波形如图所示：脉冲，具体波形如图所示：3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 当当 时，时，A A、B B端端产生宽度相同的如图产生宽度相同的如图(a)(a)，波形，波形A A、B B两点平均电两点平均电压压 ；且且b)b)波形分析波形分析 充电时

33、间充电时间 当当 时时 ，A A、B B两端产生宽度不等的方波，两端产生宽度不等的方波，如图如图(b)(b)则则A A、B B两点平均电压两点平均电压 ；且；且充电时间充电时间3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路c)直流输出直流输出 则则其中，其中，为电容为电容 的充电时间的充电时间原理图原理图3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路同理可求：同理可求：3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路则则当差动电容变化：当差动电容变化：3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路d)结论结论测量电路输出测量电路输出 具有线

34、性输出特性；具有线性输出特性；输出输出 为为 矩形波只需经低通滤波器矩形波只需经低通滤波器引出即可；引出即可；输出输出 不需再加整流电路，其直流信号可表示不需再加整流电路，其直流信号可表示传感器的信号大小和方向。传感器的信号大小和方向。3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3 3.3 电容式传感器的误差分析电容式传感器的误差分析3.3.1 3.3.1 影响因素影响因素则则 1 1、温度对传感器的影响、温度对传感器的影响 在设计和应用电容传感器时，还要考虑在设计和应用电容传感器时，还要考虑温度、电场边温度、电场边缘效应、寄生电容缘效应、寄生电容和和分布电容分布电容等因素

35、的影响；它们会造等因素的影响；它们会造成传感器特性的不稳定，甚至会导致传感器无法工作。成传感器特性的不稳定，甚至会导致传感器无法工作。温度变化（自身工作温度、环境温度变化）引起温度变化（自身工作温度、环境温度变化）引起传感传感器结构尺寸的变化器结构尺寸的变化，引起，引起电容介质介电常数的变化电容介质介电常数的变化，从，从而引起传感器电容值的变化和波动，产生而引起传感器电容值的变化和波动，产生 结构尺寸：结构尺寸：电容器极板材料的电容器极板材料的膨胀系数膨胀系数从而改变它从而改变它的的截面截面S S和和间隙间隙d d，引起微小的变化。，引起微小的变化。3.3 3.3 电容式传感器的测量电路电容式

36、传感器的测量电路3.3.1 3.3.1 影响因素（续）影响因素（续）则则 介质介电常数介质介电常数其中其中初始温度初始温度 时的介质介电常数时的介质介电常数变化变化 温度后介质介电常数温度后介质介电常数介质的温度系数介质的温度系数变化温度变化温度2、电容电场的边缘效应的影响、电容电场的边缘效应的影响如图所示按理想状况，平板电容器电场均匀分布于两极如图所示按理想状况，平板电容器电场均匀分布于两极板之间。实际上情况复杂的多，边缘电场的非均匀性将板之间。实际上情况复杂的多，边缘电场的非均匀性将引起传感器引起传感器灵敏度和非线性增加灵敏度和非线性增加。3.3 3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器

37、的测量电路3.3.2 3.3.2 克服方法克服方法则则 所以采用以下克服方法：所以采用以下克服方法：a)增大增大初始电容值初始电容值 （增大（增大S减小减小d），以降低边），以降低边缘的影响成份缘的影响成份b)加装等位环，清除边缘效应，如图所示加装等位环，清除边缘效应，如图所示 等位环等位环3与电极与电极2同平面并将电极同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等包围，彼此电绝缘但等电位，使电极电位，使电极1和和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。等位环等位环等位环等位环3 3

38、3 3+-电极电极电极电极1 1 1 1电极电极电极电极2 2 2 23.3 3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.2 3.3.2 克服方法（续）克服方法（续）则则 3、寄生电容、分布电容的影响、寄生电容、分布电容的影响寄生电容：寄生电容：电容极板电容极板与与周围物体周围物体（元器件、人体等）（元器件、人体等）之间产生的一个电容。之间产生的一个电容。分布电容：分布电容：电容引线电容引线与与大地大地之间的电容联系。之间的电容联系。以上附加电容改变了电容传感器的以上附加电容改变了电容传感器的电容量电容量而且其不而且其不稳定性导致稳定性导致传感器特性的不稳定传感器特性的不稳定，

39、产生严重干扰。可，产生严重干扰。可采用以下方法消除克服：采用以下方法消除克服：3.3 3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.2 3.3.2 克服方法（续）克服方法（续）则则 克服方法：克服方法：a)静电屏蔽措施静电屏蔽措施b)引线采用屏蔽线且屏蔽线外层良好接地引线采用屏蔽线且屏蔽线外层良好接地 即将电容传感器极板放置在金属壳体之内，并将壳即将电容传感器极板放置在金属壳体之内，并将壳体与大地相连。体与大地相连。屏蔽线本身电容量较大屏蔽线本身电容量较大（每米可达几个皮法到几百皮（每米可达几个皮法到几百皮法），当屏蔽线较长时，往往大于传感器的电容量，而法），当屏蔽线较长时，往往

40、大于传感器的电容量，而且且分布电容与传感器电容相并联分布电容与传感器电容相并联，使传感器电容相对变，使传感器电容相对变化量大为降低，因此化量大为降低，因此导致传感器灵敏度显著下降导致传感器灵敏度显著下降；另外；另外电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有较大变电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定。化，这将造成传感器特性不稳定。3.3 3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.2 3.3.2 克服方法（续）克服方法（续）则则 c)采用如图所示的驱动电缆技术采用如图所示的驱动电缆技术 即即双层电缆屏蔽双层电缆屏蔽以克服电缆本身引起的电容的

41、影响，其以克服电缆本身引起的电容的影响，其过程是使内层与芯线同电位，从而清除了芯线和内层之间过程是使内层与芯线同电位，从而清除了芯线和内层之间的分布电容的影响，外层良好接地。的分布电容的影响，外层良好接地。其内屏蔽层与信号传输线（即其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过增益为电缆芯线）通过增益为1的放的放大器成为等电位，从而消除了大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。芯线与内屏蔽层之间的电容。外屏蔽层接大地或接仪器地，外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。用来防止外界电场的干扰。3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.1 3.4.1 电容式转速传

42、感器电容式转速传感器则则 当齿轮转动时，电容量发生当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。显示的频率代表转速大小。设齿数为设齿数为z,频率为频率为f,则转速为则转速为:3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.1 3.4.1 电容式转速传感器电容式转速传感器则则 电动机转电动机转速测量速测量3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.1 3.4.1 电容式转速传感器电容式转速传感器则则 各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的

43、相对位置3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.1 3.4.1 电容式转速传感器电容式转速传感器则则 转速测量演示转速测量演示 若转轴上开若转轴上开z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f（单（单位为位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算）的计算公式为公式为 3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.1 3.4.1 电容式转速传感器电容式转速传感器则则 齿轮转速测量举例齿轮转速测量举例 例：例：下图中，设齿数下图中，设齿数z=48，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n。

44、n=60 f/z=60120/48150r/min3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.2 3.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器则则 质量块由弹簧支撑，在壳加速度作用下，质量快在质量块由弹簧支撑，在壳加速度作用下，质量快在两固定电极之间振动，从而改变电容两固定电极之间振动，从而改变电容C1、C2值值3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.3 3.4.3 电容式应变仪电容式应变仪则则 结构原理如右图结构原理如右图曲率不同的两拱形薄板间安装两平板电容器曲率不同的两拱形薄板间安装两平板电容器当拱形的两固定点受压缩变形时当拱形的两固定点受压缩变形时

45、平板电容传感器两极板间距改变平板电容传感器两极板间距改变从而电容量改变，应变从而电容量改变，应变3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.4 3.4.4 电容式荷重传感器电容式荷重传感器则则 结构原理如右图结构原理如右图在弹性钢板内平行圆孔间设置平行在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器板电容器当钢板受压力变形时当钢板受压力变形时平板电容传感器两极板间距改变平板电容传感器两极板间距改变从而电容量改变，应变从而电容量改变，应变主要用于重负载（故称主要用于重负载（故称地磅秤地磅秤）3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.5 3.4.5 电容式测厚仪（测量金属带

46、材在轧制过程的厚度变化）电容式测厚仪（测量金属带材在轧制过程的厚度变化）则则 C1、C2工作极板与带材之间工作极板与带材之间形成两个电容，形成两个电容，其总电容为其总电容为C=C1+C2。带材只是上下波。带材只是上下波动时，动时，Cx=C1+C2总的电容量总的电容量不变；当金属带材在轧制中不变；当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。和显示出带材的厚度。带材是电容的动极板，总电容带材是电容的动极板，总电容C1+C2C1+C2作为桥臂。作为桥臂。3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4.6 3.4.6 电容式接近开关在物体测量控制中的使用演示电容式接近开关在物体测量控制中的使用演示则则 3.5 3.5 例题例题则则 例例 13.5 3.5 例题例题则则 例例 1例例 23.5 3.5 例题例题则则 例例 1例例 23.5 3.5 例题例题则则 例例 1例例 2