传感器原理及其应用-第4章-电容式传感器ppt课件.ppt

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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第4章 电容式传感器 Capacitive Sensors武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能绪绪论论电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，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。将被测物

2、理量的变化转换为电容量的变化。特点特点：（1 1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2 2）小的静电引力和良好的动态特性。）小的静电引力和良好的动态特性。（3 3）本身发热影响小。）本身发热影响小。（4 4）可进行非接触测量。）可进行非接触测量。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。度和成分含量等测量之中。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.1 4.1

3、电容式传感器的工作原理和特性电容式传感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 工作原理及类型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。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缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为器，电容量为+Srd_武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党

4、的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能可可见见：在在S、d、三三个个参参量量中中，改改变变其其中中任任意意一一个个量量，均均可可使使电电容容量量C改改变变。也也就就是是说说，如如果果被被检检测测参参数数(如如位位移移、压压力力、液液位位等等)的的变变化化引引起起S、d、三三个个参参量量中中之之一一发发生生变变化化，就就可可利利用用相相应应的的电电容容量量的的改改变变实实现现参参数数测测量量。据据此此，电电容容式式传传感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

5、；(3)(3)介质变化型电容传感器。介质变化型电容传感器。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.1.24.1.2电容传感器特性分析电容传感器特性分析1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器设初始电容为：设初始电容为：当间隙当间隙d d0 0减小减小dd时时,则电容量增大则电容量增大C C，则：，则：电容的相对变化为：电容的相对变化为：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学

6、习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能当当 时，将上式按泰勒级数展开，得：时，将上式按泰勒级数展开，得：可可见见，电电容容C C的的相相对对变变化化与与位位移移之之间间呈呈现现的的是是一一种种非非线线性性关关系系。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：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灵敏度随极板间距的减小而增大距的减小而增大武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国

7、特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能如如果果只只考考虑虑二二次次非非线线性性项项，忽忽略略其其它它高高次次项项，则则得得非非线线性误差：性误差：由由以以上上分分析析可可知知：变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器只只有有在在d/d0很很小小时时，才才有有近近似似的的线性输出。线性输出。Cdd d0 0ddC1 1C2 2C1 1C2 2如如图图，极极距距变变化化相相同同值值d所所对对应应的的电电容容变变化量化量不同不同非线性随极板间距非线性随极板间距的减小而增大的减小而增大武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传

8、感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能为为了了提提高高灵灵敏敏度度和和减减小小非非线线性性，以以及及克克服服某某些些外外界界条条件件如如电电源源电电压压、环环境境温温度度变变化化的的影影响响，常常采采用用差差动动式式的的电电容容传传感感器器，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：工作时差动电容器总电容变化为：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：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平

9、新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能略去非线性高次项，得：略去非线性高次项，得：变极距差动电容式传感器的灵敏度变极距差动电容式传感器的灵敏度KK为为 变极距差动电容传感器的非线性误差变极距差动电容传感器的非线性误差 L近似为近似为 可可见见，电电容容式式传传感感器器做做成成差差动动式式结结构构后后，非非线线性性误误差差大大大大降降低低了了，而而灵灵敏敏度度比比单单极极距距电电容容传传感感器器提提高高了了一一倍倍。与与此此同同时时，差差动动式式电电容容传传感感器器还还能能减减小小静静电电引引力力给给测测量量带带来来的的影影响响，并并有有效

10、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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.2.变面积的电容式传感器变面积的电容式传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为

11、深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （1 1）用于线位移测量的电容式传感器）用于线位移测量的电容式传感器当当动动极极板板移移动动后后,极极板板相相对对有有效效面面积发生变化，对应的电容值为：积发生变化，对应的电容值为：灵敏度：灵敏度：灵敏度为常数灵敏度为常数武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，变面积型电容传感器

12、中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，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。成为实际中最常采用的结构。其电容计算式为：其电容计算式为：当重叠长度当重叠长度x x变化时，电容量变化为：变化时，电容量变化为：灵敏度为：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，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章

13、 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（2 2）用于角位移测量的电容式传感器）用于角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移当动片有一角位移 时，两极板间的覆盖面积就时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。改变，从而改变了电容量。当转动当转动 角时，角时，当当 =0=0时，时，灵敏度：灵敏度：角角位位移移式式电电容容传传感感器器的的输输出出特特性是线性的，灵敏度性是线性的，灵敏度K K为常数。为常数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深

14、入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3.3.变介质型电容式传感器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结构原理图与等效电路 电容式液位传感器电容式液位传感器图示同轴圆柱形电容器的初始图示同轴圆柱形电容器的初始电容为电容为: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。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。设设C C1 1为液体有效高度为液体有效高度h hx x形成的电容，形成的电容，C C2 2为空气高度（为空气高度（h-hh-hx x）形成的）形成的电容，

15、则：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:武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能可见，电容可见，电容C理论上与液面高度理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电成线性关系，只要测出传感器电容容C的大小，就可得到液位高度。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。设电容器极容式传感器结构如图。设电容器极板面积为板面积为S

16、 S，间隙为，间隙为a a，当有一厚度，当有一厚度为为d d，相对介电常数为，相对介电常数为 r r的固体介质的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：因此电容器的电容值为：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（1)1)若改变固体介质的相对介电常数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则有电容量的相对变化为:其中，其中，为灵敏度因子，随间隙比，为灵敏度因子，随间隙比d/

17、(a-d)增大增大为非线性因子，随间隙比为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。增大而减小。而增大；而增大；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（2 2）若传感器保持）若传感器保持 r r不变，改不变，改变介质厚度，则可用于测量介变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时质厚度变化，此时其中，其中，为灵敏度因子和非线性因子。，为灵敏度因子和非线性因子。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器

18、电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（3 3）若被测介质充满两极板间，则）若被测介质充满两极板间，则d d=a=a，此时初始电容为，此时初始电容为，则，则，,即即若若可见，可见，与与 r r 成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情况，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。如测原油含水率。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室

19、育人功能4.2 4.2 电容式传感器的特点及设计要点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 传传感感器器的的电电容容值值一一般般与与电电极极材材料料无无关关，仅仅取取决决于于电电极极的的几几何何尺尺寸寸，且且空空气气等等介介质质损损耗耗很很小小，因因此此只只要要从从强强度度、温温度度系系数数等等机机械械特特性性考考虑虑，合合理理选选择择材材料料和和几几何何尺尺寸寸即即可可，其其他他因因素素(因因本本身身发发热热极极小小)影影响响甚甚微微。而而电电阻阻式式传传感感器器有有电电阻阻，供供电电后后产产生生热热量量；电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

20、式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。1.1.电容式传感器的优点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 电电容容式式传传感感器器结结构构简简单单，易易于于制制造造。能能在在高高低低温温、强强辐辐射射及及强强磁磁场场等等各各种种恶恶劣劣的的环环境境条条件件下下工工作作，适适应应能能力力强强，尤尤其其可可以以承承受受很很大大的的温温度度变变化化，在在高高压压力力、高高冲冲击击、过过载载等等情情况况下下都都能能正正常常工工作作，能能测测超超高高压压和和低低压压差差，也也能能对对带带磁磁工工件件进进行行测测量量。此此外外传传感感器器可可以以做得体积很小，以便实

21、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。4.2.1 4.2.1 电容传感器的特点电容传感器的特点武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （3 3）静电引力小）静电引力小 电电容容传传感感器器两两极极板板间间存存在在着着静静电电场场，因因此此极极板板上上作作用用着着静静电电引引力力或或静静电电力力矩矩。静静电电引引力力的的大大小小与与极极板板间间的的工工作作电电压压、介介电电常常数数、极极间间距距离离有有关关。一一

22、般般说说来来，这这种种静静电电引引力力是是很很小小的的，因因此此只只有有对对推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 电电容容式式传传感感器器由由于于极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小，（约约几几个个10-10-5N5N），需需要要的的作作用用能能量量极极小小，又又由由于于它它的的可可动动部部分分可可以以做做得得很很小小很很薄薄，即即质质量量很很轻轻，因因此此其其固固有有频频率率很很高高，动动态态响响应应时时间间短短，能能在在几几MHzMHz的的频频率率下下工工作作，特特别别适

23、适合合动动态态测测量量。又又由由于于其其介介质质损损耗耗小小可可以以用用较较高高频频率率供供电电，因因此此系系统统工工作作频频率率高高。它它可可用用于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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 (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 当当被被测测件件不不能能允允许许采采用用接接触触测测量量的的情情况况下下,电电容容

24、传传感感器器可可以以完完成成测测量量任任务务。当当采采用用非非接接触触测测量量时时,电电容容式式传传感感器器具具有有平平均均效效应应,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。电电容容式式传传感感器器除除上上述述优优点点之之外外，还还因因带带电电极极板板间间的的静静电电引引力力极极小小，因因此此所所需需输输入入能能量量极极小小，所所以以特特别别适适宜宜低低能能量量输输入入的的测测量量，例例如如测测量量极极低低的的压压力力、力力和和很很小小的的加加速速度度、位位移移等等，可可以以做做得得很很灵敏，分辨力非常高，能感受灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m0.00

25、1m甚至更小的位移。甚至更小的位移。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 (1)(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电电容容式式传传感感器器的的容容量量受受其其电电极极几几何何尺尺寸寸等等限限制制，一一般般为为几几十十到到几几百百pFpF，使使传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高，尤尤其其当当采采用用音音频频范范围围内内的的交交流流电电源源时时，输输出出阻阻抗抗高高达达10106 610108 8。因因此此传传感感

26、器器负负载载能能力力差差，易易受受外外界界干干扰扰影影响响而而产产生生不不稳稳定定现现象象，严严重重时时甚甚至至无无法法工工作作，必必须须采采取取屏屏蔽蔽措措施施，从从而而给给设设计计和和使使用用带带来来不不便便。容容抗抗大大还还要要求求传传感感器器绝绝缘缘部部分分的的电电阻阻值值极极高高（几几十十MM以以上上），否否则则绝绝缘缘部部分分将将作作为为旁旁路路电电阻阻而而影影响响传传感感器器的的性性能能（如如灵灵敏敏度度降降低低），为为此此还还要要特特别别注注意意周周围围环环境境如如温温湿湿度度、清清洁洁度度等等对对绝绝缘缘性性能能的的影影响响。高高频频供供电电虽虽然然可可降降低低传传感感器器输

27、输出出阻阻抗抗，但但放放大大、传传输输远远比比低低频频时时复复杂杂，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。2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 (3)(3)输出特性非线性输出特性非线性 变变极极距距型型电电容容传传感感器器的的输输出出特特性性是是非非线线性性的的，虽虽可可采采用用差差动动结结构构来来改改善善，但但不不可可能能完完全全消消除除。其其他他类类

28、型型的的电电容容传传感感器器只只有有忽忽略略了了电电场场的的边边缘缘效效应应时时，输输出出特特性性才才呈呈线线性性。否否则则边边缘缘效效应应所所产产生生的的附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。随随着着材材料料、工工艺艺、电电子子技技术术，特特别别是是集集成成电电路路的的高高速速发发展展，使使电电容容式式传传感感器器的的优优点点得得到到发发扬扬而而缺缺点点不不断断得得到到克克服服。电电容容传传感感器器正正逐逐渐渐成成为为一一种种高高灵灵敏敏度度、高高精精度度，在在动动态态、低低压压及及一一些些特特殊殊测测量量方方面大有发展前

29、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 传传感感器器的的初初始始电电容容量量很很小小，而而其其引引线线电电缆缆电电容容(l(l2m2m导导线线可可达达800pF)800pF)、测测量量电电路路的的杂杂散散电电容容以以及及传传感感器器极极板板与与其其周周围围导导体体构构成成的的电电容容等等“寄寄生生电电容容”却却较较大大，降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度；这这些些电电容容(如如电电缆缆电电容容)常常常常是是随随机机变变化化的的，将将使使传传感感器器工工作作不不稳稳定定，影影响响测测量量精精度度，其其变变化化量量甚甚至至超超过过被被测测量量引引起起的的

30、电电容容变变化化量量，致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、接法有要求武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能4.2.2 4.2.2 电容传感器设计要点电容传感器设计要点电电容容式式传传感感器器所所具具有有的的高高灵灵敏敏度度、高高精精度度等等独独特特的的优优点点是是与与其其正正确确设设计计、选选材材以以及及精精细细的的加加工工工工艺艺分分不不开开的的。在在设设计计传传感感器器的的过

31、过程程中中，在在所所要要求求的的量量程程、温温度度和和压压力力等等范范围围内内，应应尽尽量量使使它它具具有有低成本、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边缘缘效效应应造造成成边边缘缘电电场场产产生生畸畸变变，使使工工作作不不稳稳，非非线线性性误误差差也也增增加加。为为了了消消除除边边缘缘效效应应的的影影响响，在在结结构构设设计计时时，可可以以采采用用带带有有保保护护环环的的结构，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 （b b）带保护环的电容传感器结构）

32、带保护环的电容传感器结构武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 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 减减小小环环境境温温度度、湿湿度度等等变变化化所所产产生生的的误误差差,以以保保证证绝绝缘缘材材料料的的绝绝缘缘性性能能,温温度度变变化化使使传传感感器器内内各各零零件件的的几几何何尺尺寸寸和和相相互互位位置置及及某某些些介介质质的的介介电电常常数数发发生生改改变变,从从而而改改变变传传感感器器的的电电容容量量,产产

33、生生温温度度误误差差。湿湿度度也也影影响响某某些些介介质质的的介介电电常常数数和和绝绝缘缘电电阻阻值值。因因此此必必须须从从选选材材、结结构构、加加工工工工艺艺等等方方面面来来减减小小温温度度等等误误差差和和保保证证绝绝缘缘材料具有高的绝缘性能。材料具有高的绝缘性能。电电容容式式传传感感器器的的金金属属电电极极的的材材料料以以选选用用温温度度系系数数低低的的铁铁镍镍合合金金为为好好，但但较较难难加加工工。也也可可采采用用在在陶陶瓷瓷或或石石英英上上喷喷镀镀金金或或银银的的工工艺，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。传传感感器器内内电电

34、极极表表面面不不便便经经常常清清洗洗，应应加加以以密密封封；用用以以防防尘尘、防防潮潮。若若在在电电极极表表面面镀镀以以极极薄薄的的惰惰性性金金属属（如如铑铑等等）层层，则则可可代代替替密密封封件件起起保保护护作作用用，可可防防尘尘、防防湿湿、防防腐腐蚀蚀，并并在在高高温温下下可可减少表面损耗、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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 传传感感器器内内，电电极极的的支支架架

35、除除要要有有一一定定的的机机械械强强度度外外还还要要有有稳稳定定的的性性能能。因因此此选选用用温温度度系系数数小小和和几几何何尺尺寸寸长长期期稳稳定定性性好好，并并具具有有高高绝绝缘缘电电阻阻、低低吸吸潮潮性性和和高高表表面面电电阻阻的的材材料料。例例如如石石英英、云云母母、人人造造宝宝石石及及各各种种陶陶瓷瓷等等做做支支架架。虽虽然然这这些些材材料料较较难难加加工工，但但性性能能远远高高于于塑塑料料、有有机机玻玻璃璃等等。在在温温度度不不太太高高的的环环境境下下，聚聚四四氟氟乙乙烯烯具具有有良良好的绝缘性能，可以考虑选用。好的绝缘性能，可以考虑选用。尽尽量量采采用用空空气气或或云云母母等等介

36、介电电常常数数的的温温度度系系数数近近似似为为零零的的电电介介质质（也也不不受受湿湿度度变变化化的的影影响响）作作为为电电容容式式传传感感器器的的电电介介质质。若若用用某某些些液液体体如如硅硅油油、煤煤油油等等作作为为电电介介质质，当当环环境境温温度度、湿湿度度变变化化时时，它它们们的的介介电电常常数数随随之之改改变变，产产生生误误差差。这这种种误误差差虽虽可可用用后后接接的的电电子子电电路路加以补偿，但无法完全消除。加以补偿，但无法完全消除。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻

37、全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能在在可可能能的的情情况况下下,传传感感器器内内尽尽量量采采用用差差动动对对称称结结构构,这这样样可可以以通通过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。选选用用50kHz50kHz至至几几MHzMHz作作为为电电容容传传感感器器的的电电源源频频率率，以以降降低低对对传传感感器绝缘部分的绝缘要求。器绝缘部分的绝缘要求。传传感感器器内内所所有有的的零零件件应应先先进进行行清清洗洗、烘烘干干后后再再装装配配。传传感感器器要要密密封封以以防防止止水水分分侵侵入入内内部部而而引引起起电电容容值值变变化化和和绝绝

38、缘缘性性能能下下降降。传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。寄寄生生电电容容与与传传感感器器电电容容相相并并联联，影影响响传传感感器器灵灵敏敏度度，而而它它的的变变化化则则为为虚虚假假信信号号影影响响仪仪器器的的精精度度，必必须须消消除除和和减减小小它它。可可采采用方法：用方法：3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （1 1）增加传感器原始电容

39、值）增加传感器原始电容值 采采用用减减小小极极片片或或极极筒筒间间的的间间距距(平平板板式式间间距距为为0.20.5mm，圆圆筒筒式式间间距距为为0.15mm)，增增加加工工作作面面积积或或工工作作长长度度来来增增加加原原始始电电容容值值，但但受受加加工工及及装装配配工工艺艺、精精度度、示示值值范范围围、击击穿穿电电压压、结结构构等等限限制制。一一般般电电容容值值变变化化在在 10-3103pF范范围围内内，相相对对值值变变化化在在 10-61范范围围内。内。（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2）注意传感器的接地和屏蔽；）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化

40、（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（5 5）采用运算放大器法；）采用运算放大器法；（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图图为为采采用用接接地地屏屏蔽蔽的的圆圆筒筒形形电电容容式式传传感感器器。图图中中可可动动极极筒筒与与连连杆杆固固定定在在一一起起随随被被测测量量移移动动。可可动动极极筒筒与

41、与传传感感器器的的屏屏蔽蔽壳壳（良良导导体体）同同为为地地，因因此此当当可可动动极极筒筒移移动动时时，固固定定极极筒筒与与屏屏蔽蔽壳壳之间的电容值将保持不变，之间的电容值将保持不变，从从而而消消除除了了由由此此产产生生的的虚假信号。虚假信号。引引线线电电缆缆也也必必须须屏屏蔽蔽在在传传感感器器屏屏蔽蔽壳壳内内。为为减减小小电电缆缆电电容容的的影影响响，应应尽尽可可能能使使用用短短而而粗粗的的电电缆缆线线，缩缩短短传传感感器器至至电路前置级的距离。电路前置级的距离。绝缘体绝缘体屏蔽壳屏蔽壳固定极筒固定极筒可动极筒可动极筒连杆连杆导杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图接地屏蔽圆筒形电容式传感器示

42、意图武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （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 当当电电容容式式传传感感器器的的电电容容值值很很小小，而而因因某某些些原原因因(如如环环境境温温度度较较高高)，测测量量电电路路只只能能与与传传感感器器分分开开时时，可可采采用用“驱驱动动电电缆缆”技技术术。传传感感器器与与测测量量电电路路前前置置级级间间的的引引线线为为双双屏屏蔽蔽层层电电缆缆，其其内内

43、屏屏蔽蔽层层与与信信号号传传输输线线(即即电电缆缆芯芯线线)通通过过1:11:1放放大大器器成成为为等等电电位位，从从而而消消除除了了芯芯线线与与内内屏屏蔽蔽层层之之间间的的电电容容。由由于于屏屏蔽蔽线线上上有有随随传传感感器器输输出出信信号号变变化化而而变变化化的的电电压压，因因此此称称为为“驱驱动动电电缆缆”。采采用用这这种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）集成化 将将传传感感器器与与测测量量电电路路本本身身或或其其前前置置级级装装在在一一个个壳壳体体内内，省省去去传传感感器器的的电电缆缆引引线线

44、。这这样样，寄寄生生电电容容大大为为减减小小而而且且易易固固定定不不变变，使使仪仪器器工工作作稳稳定定。但但这这种种传传感感器器因因电电子子元元件件的的特特点点而而不不能能在在高高、低温或环境差的场合使用。低温或环境差的场合使用。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能外外屏屏蔽蔽层层接接大大地地或或接接仪仪器器地地，用用来来防防止止外外界界电电场场的的干干扰扰。内内外外屏屏蔽蔽层层之之间间的的电电容容是是1:11:1放放大大器器的的负负

45、载载。1:11:1放放大大器器是是一一个个输输入入阻阻抗抗要要求求很很高高、具具有有容容性性负负载载、放放大大倍倍数数为为1(1(准准确确度度要要求求达达1/100001/10000)的的同同相相(要要求求相相移移为为零零)放放大大器器。因因此此“驱驱动动电电缆缆”技技术术对对1:11:1放放大大器器要要求求很很高高，电电路路复复杂杂，但但能能保保证证电电容容式式传传感感器器的的电电容容值值小小于于1pF1pF时，也能正常工作。时，也能正常工作。1：1测量测量电路电路前置级前置级外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传传感感器器“驱驱动动电电缆缆”技技术术原原理理图图 当电容式传感器的当电容

46、式传感器的初始电容值很大初始电容值很大(几百几百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。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能（5 5）整体屏蔽法）整体屏蔽法 将将电电容容式式传传感感器器和和所所采采用用的的转转换换电电路路、传传输输电电缆缆等等用用同同一一个个屏屏蔽蔽壳壳屏屏蔽蔽起起来来，

47、正正确确选选取取接接地地点点可可减减小小寄寄生生电电容容的的影影响响和和防防止止外外界界的的干干扰扰。下下图图是是差差动动电电容容式式传传感感器器交交流流电电桥桥所所采采用用的的整整体体屏屏蔽蔽系系统统，屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在在两两固固定定辅辅助助阻阻抗抗臂臂 Z Z3 3和和Z Z4 4中中间间，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的的容抗小得多，则寄生电容抗小得多，则寄生电容容C CP1P

48、1和和C CP2P2对电桥平衡状对电桥平衡状态的影响就很小。态的影响就很小。交流电容电桥的屏蔽系统交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能最最易易满满足足上上述述要要求求的的是是变变压压器器电电桥桥，这这时时Z Z3 3和和Z Z4 4是是具具有有中中心心抽抽头头并并相相互互紧紧密密耦耦合合的的两两个个电电感感线线圈圈，流流过过Z Z3 3和和Z Z4 4的的电电流流大大小小基基本本相

49、相等等但但方方向向相相反反。因因Z Z3 3和和Z Z4 4在在结结构构上上完完全全对对称称，所所以以线线圈圈中中的的合合成成磁磁通通近近于于零零，Z Z3 3和和Z Z4 4仅仅为为其其绕绕组组的的铜铜电电阻阻及及漏漏感感抗抗，它它们们都都很很小小。结结果果寄寄生生电电容容C Cplpl和和C Cp2p2对对Z Z3 3和和Z Z4 4的的分分路路作作用用即即可可被被削削弱弱到到很很低的程度而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。还还可可以以再再加加一一层层屏屏蔽蔽，所所加加外外屏屏蔽蔽层层接接地地点点则则选选在在差差动动式式电电容容传传感感器器两两电电容容C C1 1和

50、和C C2 2之之间间。这这样样进进一一步步降降低低了了外外界界电电磁磁场场的的干干扰扰，而而内内外外屏屏蔽蔽层层之之间间的的寄寄生生电电容容等等效效作作用用在在测测量量电电路路前前置置级级，不不影影响响电电桥桥的的平平衡衡，因因此此在在电电缆缆线线长长达达10m10m以以上上时时仍仍能能测测出出 1pF1pF的电容。的电容。电电容容式式传传感感器器的的原原始始电电容容值值较较大大（几几百百pFpF）时时，只只要要选选择择适适当当的的接接地地点点仍仍可可采采用用一一般般的的同同轴轴屏屏蔽蔽电电缆缆。电电缆缆长长达达10m10m时时，传传感器也能正常工作。感器也能正常工作。武汉理工大学机电工程学