电容式传感器
合肥工业大学计算机与信息学院 电子信息工程13-3班聂建兆
摘要：电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术
问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。
1 电容式传感器的工作原理和结构形式
1.1电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一个具有可变参量的电容器，将被测非电量变化成为电容量。多数情况下，电容式传感器是指以空气为介质的两个平行金属极板组成的可变电容器。
由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，则它的电容量可用下式表示
S C= ?S/δ= ?0?r S/δ δ ? 2
式中 S ——极板相互遮盖面积（m）；
δ——两平行板间距离（m）；
?r ——极板间介质的相对介电常数； 电容式传感器结构
－12
?0 ——真空的介电常数（8.85×10F/m）。
由式（7-1）可见，在?r、S、δ三个参量中，只要保持其中两个不变，改变其中的一个均可使电容量C改变，这就是电容式传感器的工作原理。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积型；改变极板间距离的变极距型；改变极板间介质的变介质型。
2 电容式传感器的分类
2.1 固定介质变间隙电容式传感器
? 固定介质变间隙电容式传感器结构： 动极 ?d
定极
A d1 d2
? 固定介质变间隙电容式传感器的灵敏度： ? 固定介质变间隙电容式传感器的非线性误差：
? 介电常数提高，可以提高灵敏度因子，这时灵敏度得到提高，但非线性误差也增加了，为了减小非线性误差，也可以采用差动方式。
2.2 变面积电容式传感器
? 变面积电容式传感器结构：
?x
d
a b ? 变面积电容式传感器的灵敏度：
? 变面积电容式传感器的非线性误差：
? 变面积电容式传感器无非线性误差，增加b，减小d可以提高灵敏度，a不能太小，否则边缘效应明显。
2.3 变介电常数电容式传感器
? 变介电常数电容式传感器结构：
d A
3 电容式传感器的信号调节电路 3.1运算放大器式电路
? 电路：
C0 Cx ?r a
? Ui???U?C0 U0iCx?K ? UO 3.2 电桥电路
? 电路
C1 Z1 ? Ui C2 Z2 ? U0 振
C1 电? Ui 桥 C检2滤? 放U0 波 波 大
3.3 调频电路 ? 直放式调频 调频振荡 限幅 鉴频 放大 ? 外差式调频 调频振荡 放大 变频 放大 限幅 鉴频 放大
本振
? 外差式调频比直放式调频性能优越，其选择性高、特性稳定、抗干扰性强。
? 调频方式具有抗干扰性强、特性稳定、输出电平高（伏特级） 3.4 谐振电路 ? 电路
C1 C2 C3
振荡 整流 放大 U0
? 特点：
? 灵敏度高
? 工作点难以确定 ? 工作范围窄
? 传感器要离电路近。
? 振荡器要求稳定性高。 3.5二极管T型网络 ? 电路
D2
R2 R1 C1 D1 Ei C2 Rf I0 E0
方波电源 传感器电容 平衡电容 负载电阻
? 当Ei?0时：
； C1充电Ei?D1?C1?Ei，
C2放电C2?R2?Rf?C2，C2?Ei?D1?R1?R2?C2 ? 当Ei?0时：
； C2充电Ei?D2?C2?Ei，
C1放电C1?R1?Rf?C1，C1?Ei?D2?R2?R1?C1
? C1放电C1?R1?Rf?C1和C2放电C2?R2?Rf?C2形成电流正I0和负I0，I0的平均值为两者之差。 ? 平衡时：C1?C2 ? I0?0 ? U0?0 ? 平衡时：C1?C2 ? I0?0 ? U0?0 ? 特点：
? Ei、C1、C2、Rf有共同的地
? 工作电平高，D1,D2都工作于线性区 ? 输出电压高
? 输出电流大，R?1~100?时，I0?1mA~1?A数量级
? 上升时间小，Rf?1k?时，?t?20?s数量级。适合高速测量。 3.6 脉冲宽度调制电路 ? 电路 ?U1
+ A1- - + S 双稳 触发QA R1D1 D2 C C1 Uf
U0D A2R 器 QB R2 C2 ?U2
? 初值：UC?UD?0
? 加电时假设：UA?U1，UB?0 ，这时C1充电，UC不断提高，C2不充电，UD?0不变。
? 不断提高的UC?Uf时，S触发使UA?0，UB?U1 ，这时C1通过
D1快速放电充电使UC?0，而C2开始充电，UD不断提高。 ? 不断提高的UD?Uf时，R置位使UB?0，UA?U1 ，这时C2通过
D2快速放电充电使UD?0，而C1开始充电，UC不断提高。 ? 输出电压脉冲宽度与C1和C2充电时间常数有关，从而使得输出电压的平均值与C1和C2的大小有关。设R1?R2
C?C2U0?UAB?1U1
C1?C2? 变极板距离电容时：
d?d1U0?UAB?2U1
d2?d1对于差动电容：C1?C2?C0，d1?d0??d，d2?d0??d
?dU0?UAB?U1
d0? 变面积电容时：
A?A2U0?UAB?1U1
A1?A2对于差动电容：C1?C2?C0，A1?A0??A，A2?A0??A
?AU0?UAB?U1
4 影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施
4.1 影响精度的因素
? 温度对电容结构尺寸的影响，将引起电容值的变化。 ? 温度对电容的电介质的影响，将引起电容值的变化。
? 电容式传感的电容很小，容抗大，电容漏电流有较大的分流作用，将引起电容式传感灵敏度的下降。
? 电容边缘效应和寄生参数将引起电容式传感的非线性效应，并且使灵敏度下降。
4.2 提高精度的措施
? 选用温度系数小和稳定的材料和电介质，以消除温度的影响。 ? 增加原始电容值，以减小寄生电容和漏电的影响。 ? 缩短传感器到测量电路前置级的距离，以减小寄生电容和提高寄生电容的稳定性。
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