第三章电容式传感器

1、第第3 3章章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是电容式传感器是利用电容器的原理利用电容器的原理将被测将被测非电非电量量转换为转换为电容量的变化电容量的变化，实现非电量到电量的转化。，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式。变间隙式、变面积式和变介电常数式。应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量而且可以用于压力、差压、度等机械量的精密测量而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。液面、料面、成分

2、含量等方面的测量。 3.1 电容式传感器的工作原理和结构形式电容式传感器的工作原理和结构形式 3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 3.4 影响电容式传感器精度的因素分析影响电容式传感器精度的因素分析 3.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式传感器电容式传感器3.1 电容式传感器的工作原理和结构形式电容式传感器的工作原理和结构形式电容式传感器电容式传感器 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：果不考虑边缘效应，其电容量为：

3、dSdSCr0基本原理：基本原理：当被测参数变化使得当被测参数变化使得S、 d或或发生变化时，电容发生变化时，电容量量C也随之变化。电容式传感器可分为也随之变化。电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变变间隙（极距）型、变面积型面积型和和变介电常数（介质）型变介电常数（介质）型三种。特性各自有所区别。三种。特性各自有所区别。式中：式中：r 相对介电常数；相对介电常数； 0 真空中的介电常数，真空中的介电常数，0=8.8510-12 F/m； S 两极板间相互覆盖面积，两极板间相互覆盖面积，m2； 两极板之间的距离，两极板之间的距离，m。电容式传感器电容式传感器电容式传感元件的各种结构形式电容式传

4、感元件的各种结构形式电容式传感器电容式传感器一、变间隙（极距）型电容传感器一、变间隙（极距）型电容传感器变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 d0电容式传感器电容式传感器 当传感器的当传感器的r和和S为常数，初始极距为为常数，初始极距为d0时，可时，可知其初始电容量知其初始电容量C0为为 000dSCr 若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0缩小了缩小了d，电，电容量增大了容量增大了C，则有，则有000001rSCCCCdddd 电容式传感器电容式传感器电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系若若d/d01时，则展成级数：时，则展成级数：2300000011ddd

5、dCCCdddd 此时此时C与与d近似呈线性关系，所以近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只变极距型电容式传感器只有在有在d/d0很小时，很小时，才有才有近似近似的的线性线性关系关系。 另外，电容式传感器的灵敏度为：另外，电容式传感器的灵敏度为： 可见，要提高灵敏度，应减小可见，要提高灵敏度，应减小d0。但。但d0过小，容易引起电容过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。间加云母、塑料膜等介质。00ddCC电容式传感器电容式传感器00dCdCSngdgd00放置云母片的电容器放置云

6、母片的电容器 一般电容式传感器的起始电容在一般电容式传感器的起始电容在20pF30pF之间，极板之间，极板间距离在间距离在25m200m 的范围内。最大位移应小于间距的的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在故在微位移测量微位移测量中应用最广。中应用最广。 电容式传感器电容式传感器定极板定极板动极板动极板000ddSCgg式中：式中：g云母的相对介电常数，云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度；空气隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 0002111111dSdSCCCgg电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器可见：云母的

7、相对介电常数（可见：云母的相对介电常数（g=7）是空气介电常数（）是空气介电常数（0=1） 的的7倍，云母的击穿电压倍，云母的击穿电压1000kv/mm，而空气的击穿，而空气的击穿 电压只有电压只有3kv/mm。因此有了云母片极板间的起始间距。因此有了云母片极板间的起始间距 可大大减小。极大地提高了电容式传感器的灵敏度可大大减小。极大地提高了电容式传感器的灵敏度Sn。电容式传感器电容式传感器电容式传感器的相对非线性误差电容式传感器的相对非线性误差： 上述等式成立的条件是：上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，时，高次项省略，若保留二次项，则有：若保留二次项，则有：00dCdCSn)1

8、 (000ddddCC可得其相对非线性误差为可得其相对非线性误差为：%100/%100/0020dddddd）（ 可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线，但此时相对非线性误差性误差增大。所以为使二者兼得，常采用增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构差动式结构，即使，即使其中一个电容器的电容其中一个电容器的电容C1随位移随位移d增加，而另一个电容器的电增加，而另一个电容器的电容容C2则减小。则减小。电容式传感器的灵敏度为：电容式传感器的灵敏度为：电容式传感器电容式传感器为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外为提高灵敏度和线性度，克

9、服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用界条件影响，常采用差动式差动式电容传感器电容传感器上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。减或反之。差动式结构差动式结构12S差动平板式电容传感器结构差动平板式电容传感器结构电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器当动极板向上位移当动极板向上位移时：时：电容器电容器C1的间隙的间隙1变为

10、变为0 ；电容器电容器C2的间隙的间隙2变为变为0+ ；则：则：20011CC10011CC电容式传感器电容式传感器23100001()().CC23200001()().CC电容值总的变化量为：电容值总的变化量为：24000021 ()().CC电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：在在 / / 0 0 1 1时，按级数展开：时，按级数展开：3512000022()2().CCCC电容式传感器电容式传感器24000021 ()().CC若，只保留上式中的线性项和三次项若，只保留上式中的线性项和三次项, 电容式传感器的电容式传感器的相对非相对非线性误差线性误差为：为：32002 ()100%

11、()100%2() 差动式电容传感器差动式电容传感器灵敏度灵敏度是原来的是原来的2倍倍 零点附近的零点附近的非线性误差非线性误差大大大大降低降低。 电容式传感器电容式传感器 (c)是利用是利用压力敏感弹性元件压力敏感弹性元件-膜片膜片作为电容器的作为电容器的活动活动极板。压力变化极板。压力变化使弹性膜片上下变形引起电容变化。使弹性膜片上下变形引起电容变化。这种方法在微压、声压测量等方面这种方法在微压、声压测量等方面有较多的应用。有较多的应用。 (d)是一种是一种电容式加速度传感器电容式加速度传感器。敏感。敏感加速度的加速度的质量块质量块用两个用两个弹簧片弹簧片固定，固定，上上平面平面为电容器的

12、为电容器的活动活动极板。质量块感受极板。质量块感受加速度而有位移时电容随之变化。加速度而有位移时电容随之变化。 电容式传感器电容式传感器例例:解：解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格PF01. 03 . 0/10*213 . 0/10*2*48. 1/1/PF48. 110*3 . 0)10*4(*1085. 8330003231220ddddCCdrdSC 一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初，工作初始间隙始间隙d=0.3mm，介电常数，介电常数=8.8510-12F/m，试求：，试求：1)工作中，若传感器与工件的

13、间隙减小量工作中，若传感器与工件的间隙减小量d=2m, 电容变化量电容变化量是多少是多少?2)若测量电路的灵敏度若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏度读数仪表的灵敏度S2=5格格/mv, 当当d=2m,时，读数仪表示值变化多少格时，读数仪表示值变化多少格?电容式传感器电容式传感器二、变面积型电容式传感器二、变面积型电容式传感器 电容式传感器电容式传感器线位移型Sdaxbx线位移型电容传感器原理图线位移型电容传感器原理图电容式传感器电容式传感器动极板沿定极板移动动极板沿定极板移动x，则电容量变化为：，则电容量变化为：000CdbxaCCCr式中；式中；C0=0r b a /

14、d 为初始电容，电容相对变化量为：为初始电容，电容相对变化量为：axCC0显然，显然，C与与动极板位移动极板位移x呈呈线性线性关系关系Sdaxbx电容式传感器电容式传感器 上图是用以测量线位移上图是用以测量线位移(a，b，c)以及角位移以及角位移(d)的电容传感元件的电容传感元件 它们都是将位移变为电容器相互覆盖面积的变化它们都是将位移变为电容器相互覆盖面积的变化 为了提高灵敏度，可以采用为了提高灵敏度，可以采用多片式多片式(a) 、差动式差动式(b)、多齿式多齿式(c) 或或角位移式角位移式(d) 。 上式中上式中电容的变化电容的变化与与两极板相互覆盖的面积两极板相互覆盖的面积成成线性线性关

15、系关系 所以该方案较之所以该方案较之变极距型变极距型方案在此方面有可取之处方案在此方面有可取之处 。0SCeed=（c）（d）电容式传感器电容式传感器(2)角位移型角位移型动极板动极板定极板定极板电容式角位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图电容式传感器电容式传感器 当动极板产生角位移当动极板产生角位移时时, 与定极板间的有效覆盖面积改变与定极板间的有效覆盖面积改变, 两极板间的电容量改变。两极板间的电容量改变。 当当=0 时时, 0000rSC 式中式中: r 介质相对介电常数介质相对介电常数; 0 两极板间的距离两极板间的距离; S0 两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。当当0时

16、时, 则则:000001rSCCC 可见，可见，电容的变化电容的变化C=-C0(/)与与角位移角位移成成线性线性关系。关系。动极板动极板定极板定极板电容式传感器电容式传感器(3)(3)圆柱位移型圆柱位移型d D H h圆柱位移型电容传感器原理结构示意图圆柱位移型电容传感器原理结构示意图电容式传感器电容式传感器当当h = 0 时时, 02lnHCD 于是：于是： HhCCC00002lnhhChCCDHCH 可见，可见，电容量的变化电容量的变化C与与高度的变化高度的变化 h 呈呈线性线性关系关系 D H h电容式传感器电容式传感器常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。常用变介质型电容传感器

17、的结构型式如下图所示。用途：用途：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度三、变介质型电容式传感器三、变介质型电容式传感器(1) 变介质型传感器变介质型传感器电容式传感器电容式传感器两平行电极固定不动，极距为两平行电极固定不动，极距为d0将相对介电常数为将相对介电常数为r2的电介质插入电容器的电介质插入电容器深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积传感器总电容量传感器总电容量C为：为：00002121)(dLLLbCCCrr式中式中: L0, b0 极

18、板长度和宽度极板长度和宽度; L第二种介质进入极板间的长度。第二种介质进入极板间的长度。若电介质若电介质r1=1, 当当L = 0时时, 传感器初始电容传感器初始电容: C0=0r L0b0/d0。 当介质当介质r2 进入极间进入极间L后后, 引起电容的相对变化为引起电容的相对变化为:0000) 1(2LLCCCCCr可见可见, 电容的变化电容的变化C与电介质与电介质r2的的移动量移动量 L 呈呈线性线性关系。关系。 电容式传感器电容式传感器(2)液位传感器液位传感器下图是改变极板间下图是改变极板间介质介质的电容式传感器的一种应用，用于测的电容式传感器的一种应用，用于测量液位高低，其结构原理图

19、如下：量液位高低，其结构原理图如下：dDnHC120式中：式中：C0由传感器的基本尺寸由传感器的基本尺寸 决定的初始电容值；决定的初始电容值； 空气介电常数。空气介电常数。 电容式传感器电容式传感器被测介质的介电常数为被测介质的介电常数为1，液面高度为液面高度为 h, 变换器总高度为变换器总高度为H, 内筒外径为内筒外径为 d, 外筒内径为外筒内径为 D则此时变换器电容值为：则此时变换器电容值为： dDhHdDhCln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210式中：式中：空气介电常数空气介电常数; C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值由变换器的基本尺寸决定的初始电容值

20、:dDHCln20可见，变换器的可见，变换器的电容增量电容增量C正比于正比于被测液位高度被测液位高度h。dDhCln21电容式传感器电容式传感器电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。 电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数 电容式传感器电容式传感器

21、电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路计算有效电容Ce(为了计算方便，忽略Rs和Rp): LjCjCje11LCCCe21图中考虑了电容器的损耗和电感效应。图中考虑了电容器的损耗和电感效应。Rp并联损耗电阻，它代表极板间的泄并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。小，其影响就减弱。Rs串联损耗，即代表引线电阻、电容串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。

22、器支架和极板电阻的损耗。电感电感L由电容器本身的电感和外部引线由电容器本身的电感和外部引线电感组成。电感组成。 两点注意：两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定因此，在实际应用时必须与标定的条件（的条件（）相同。）相同。222222)1 ()1 (1LCCLCCLCLCCCeLCCCCCee

23、21/电容的实际相对变化量为：电容的实际相对变化量为： 电容式传感器电容式传感器3.3 电容式传感器的信号调理电路测量电路电容式传感器的信号调理电路测量电路电桥电路电桥电路调频电路调频电路谐振电路谐振电路运算放大器式电路运算放大器式电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。电容式传感器电容式传感器电桥型电路电桥型电路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2

24、U0LLCr1（b）CU0UCCr2电容式传感器电容式传感器电桥型电路电桥型电路Cr1Cr2U0U（d）电容式传感器电容式传感器电桥型电路电桥型电路电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出。 电容式传感器电容式传感器调频电路调频电路传感器电容是振荡器传感器电容是振荡器谐振回路谐振回路的一部分。当输入量使传感器的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的电容量发生变化时，振荡器的振荡频率振荡频率发生变化。频率的变发生变化。频率的变化经过化经过鉴频器鉴频器变为变为电压变化电压变化，再经过，再经过放大放大后由记录器后由记录

25、器记录记录或或显示显示仪表指示。仪表指示。LCf21电容式传感器电容式传感器LCf21式中：式中：C振荡回路的总电容，振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中，其中C1为振为振荡回路固有电容，荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，为传感器引线分布电容，Cx=C0C为为传感器的电容。传感器的电容。 当被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，则，则C=C1+C2+C0，所以振荡，所以振荡器有一个固有频率器有一个固有频率f0, 其表示式为其表示式为 LCCCf)(210210电容式传感器电容式传感器当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0， 振荡器频率有相应变化，振荡器频率有相应变化， 此

26、时频率为此时频率为 ffLCCCCf0021)(21 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、 接收，以达到遥测遥控的目的。接收，以达到遥测遥控的目的。 电容式传感器电容式传感器谐振电路谐振电路特点：特点：电路比较灵敏；工作点不易选好，且变化范围窄；电路比较灵敏；工作点不易选好，且变化范围窄；连接电缆连接电缆杂散电容杂散电容对电路的影响大；对电路的

27、影响大；为提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性为提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性电容传感器的电容电容传感器的电容Cx作为谐振电作为谐振电路路(或或)调谐电容的一部分。调谐电容的一部分。此谐振回路通过电感耦合，从稳此谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。定的高频振荡器获得振荡电压。当传感器的电容当传感器的电容CxCx发生变化，谐发生变化，谐振回路的阻抗也发生相应变化，振回路的阻抗也发生相应变化，并被转换成整流器电流的变化。并被转换成整流器电流的变化。该电流经过放大、检波即可得到该电流经过放大、检波即可得到输出。输出。为了获得较好的线性，一般工作为了获得较好

28、的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边最大振点应选择在谐振曲线一边最大振幅的幅的70附近的附近的准线性区域准线性区域内。内。 电容式传感器电容式传感器运算放大器式电路运算放大器式电路运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图特点能将变间隙电容式传感器的特点能将变间隙电容式传感器的非线性特性非线性特性转换为转换为线性关系线性关系电容式传感器电容式传感器运算放大器式电路运算放大器式电路 00 xiCCUUcxcbxcxcbiIICjIUCjIU0电容式传感器电容式传感器运算放大器式电路运算放大器式电路SCUUi00dSCxdSCUUi00 00 xiCCUU电容式传感器电容式传感器脉冲宽度调制电

29、路脉冲宽度调制电路电压比较器电压比较器A1、A2双稳态触发器双稳态触发器电容充放电回路电容充放电回路常用于差动式电容传感器常用于差动式电容传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路12121211UTTTU UTTTUBA， lnln1122211111rrUUUCRTUUUCRT电容式传感器电容式传感器 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA121210UCCCCU调制调制无论无论121210UddddU10UddUo10UAAUo电容式传感器电容式传感器以上这些特点都是其他电容测量线路所无法比拟的。以上这些特点都是其他电

30、容测量线路所无法比拟的。电容式传感器电容式传感器3.4 影响电容式传感器精度的因素分析影响电容式传感器精度的因素分析温度的影响温度的影响漏电阻的影响漏电阻的影响边缘效应边缘效应寄生电容寄生电容电容式传感器电容式传感器一、温度的影响一、温度的影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：影响主要有以下两个方面：温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响温度对介质（介电常数）的影响温度对介质（介电常数）的影响电容式传感器电容式传感器1

31、、温度对结构尺寸的影响、温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于电容传感器由于极间隙很小极间隙很小而对结构尺寸的变化特而对结构尺寸的变化特别别敏感敏感。在传感器各零件材料。在传感器各零件材料线膨胀系数线膨胀系数不匹配的情况不匹配的情况下，温度变化将导致下，温度变化将导致极间隙极间隙发生发生较大的相对变化较大的相对变化，从而，从而产生产生很大的温度误差很大的温度误差。 为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。如电极的支架选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。如电极的支架选用选用陶瓷材料陶瓷材料，电极材料选用，电极材料选

32、用铁镍合金铁镍合金。 近年来，采用在近年来，采用在陶瓷陶瓷或或石英石英上喷涂一层上喷涂一层金属金属作为作为电电极极，效果更好。，效果更好。电容式传感器电容式传感器2、温度对介电常数的影响、温度对介电常数的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数的温度系数近似为零；而某些液体介质，母的介电常数的温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如，煤油的介电常数温度系数可达例如，煤油的介电常数温度系数可达0.07/；若环境；若环境温度变化温度变化

33、50，则将带来，则将带来7的温度误差，故采用此的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。类介质时必须注意温度变化造成的误差。电容式传感器电容式传感器二、漏电阻的影响二、漏电阻的影响 电容式传感器的电容量很小，一般在几十电容式传感器的电容量很小，一般在几十PF。如果激。如果激励频率较低时，电容传感器的容抗很高，达几十兆欧。一励频率较低时，电容传感器的容抗很高，达几十兆欧。一般电器设备中的般电器设备中的几兆欧绝缘电阻几兆欧绝缘电阻对电容式传感器来说只能对电容式传感器来说只能看作是一个旁路，成为漏电阻。看作是一个旁路，成为漏电阻。 漏电阻与传感器的容抗相近时，将使系统总的灵敏度漏电阻与

34、传感器的容抗相近时，将使系统总的灵敏度下降。甚至当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随下降。甚至当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂。着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂。 选用选用绝缘性能好的材料绝缘性能好的材料（陶瓷、石英等）作（陶瓷、石英等）作两极板间两极板间支架支架；采用；采用高的激励电源频率高的激励电源频率（数千赫至数兆赫）降低传（数千赫至数兆赫）降低传感器的内阻。感器的内阻。电容式传感器电容式传感器三、边缘效应三、边缘效应电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘部分

35、的分布不均匀部分的分布不均匀适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。小边缘电场的影响。+-电容式传感器电容式传感器可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。+-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，彼此电绝缘但等电包围，彼此电绝缘但等电位，使电极位，使电极1和和2之间的

36、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。电容式传感器电容式传感器四、寄生电容的影响四、寄生电容的影响 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十到几十pF)，而其引线，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线可达导线可达800pF)、测、测量电路的量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的以及传感器极板与其周围导体构成的电容电容等等“寄生电容寄生电容”却较大。它与传感器电容相并联，严重影响感器却较大。它与

37、传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。缩短传感器和测量电路之间的电缆缩短传感器和测量电路之间的电缆驱动电缆法驱动电缆法整体屏蔽法整体屏蔽法电容式传感器电容式传感器驱动电缆法驱动电缆法 驱动电缆采用驱动电缆采用双层屏蔽电缆双层屏蔽电缆。其中用一个增益为。其中用一个增益为1的放的放大器，大器，放大器输入端放大器输入端接于接于芯线芯线，输出端输出端接于接于内屏蔽线内屏蔽线，用，用芯线的电位来驱动

38、内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增芯线的电位来驱动内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增益为益为1和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间寄寄生电容生电容的影响。的影响。电容式传感器电容式传感器整体屏蔽整体屏蔽法法 所谓整体屏蔽是将整个电桥所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等包括电源、电缆等)统一屏统一屏蔽起来；如图所示，蔽起来；如图所示，公用极板公用极板与与屏蔽屏蔽之间的之间的寄生电容寄生电容C1只只影响影响灵敏度灵敏度，另外两个寄生电容，另外

39、两个寄生电容C3及及C4在一定程度上影响在一定程度上影响电桥的电桥的初始平衡初始平衡及及总体灵敏度总体灵敏度，但不影响电桥正常工作，但不影响电桥正常工作，寄生电容对传感器的电容的影响基本得到排除。寄生电容对传感器的电容的影响基本得到排除。电容式传感器电容式传感器3.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器电容式传感器电容式传感器3.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式加速度传感器电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体电容式传

40、感器电容式传感器3.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式加速度传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速

41、度。 电容式加速度传感器的主要特点是电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快频率响应快和和量程范围量程范围大大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的测得的负加速度值超过设定值时负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊电容式传感器电容式传感器汽车气囊的保护作用