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1、電容式傳感器原理和應(yīng)用 概述 電容式傳感器是實(shí)現(xiàn)非電量到電容量轉(zhuǎn)電容式傳感器是實(shí)現(xiàn)非電量到電容量轉(zhuǎn)化的一類傳感器化的一類傳感器。u可以應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等參可以應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等參數(shù)的測量中。數(shù)的測量中。u由于電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨由于電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，且可非接觸測量，因此很有應(yīng)用前景。率高，且可非接觸測量，因此很有應(yīng)用前景。4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d d0 0縮小縮小dd，電容量增大，電容量增大CC，則有，則有u由式由式(4-3)(4-3)知傳感器的輸出特性知傳感器的輸

2、出特性C =f(d)C =f(d)不是線性關(guān)系，不是線性關(guān)系，而是如圖而是如圖4-24-2所示的曲線關(guān)系。所示的曲線關(guān)系。u在式在式(4-3)(4-3)中，當(dāng)中，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，則上式可簡，則上式可簡化為：化為：u此時(shí)此時(shí)C C與與dd呈近似線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳呈近似線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在感器只有在d/dd/d0 0很小時(shí)，才有近似的線性輸出。很小時(shí)，才有近似的線性輸出。00r002020(1)(43)()1dCAdCCCdddd 220()11dd01d d000(44)dCCCd4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)由式由式(4-4)(4-4)還可以看出，在還可以看

3、出，在d d0 0較小時(shí)，對于同樣的較小時(shí)，對于同樣的 dd變變化所引起的化所引起的CC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高?？梢栽龃螅瑥亩箓鞲衅黛`敏度提高。但但d d0 0過小，容易引起電容器擊穿或短路。過小，容易引起電容器擊穿或短路。圖圖4-2 4-2 電容量與極板間距離的關(guān)系電容量與極板間距離的關(guān)系u為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。云母片的的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。云母片的相對介電常數(shù)是空氣的相對介電常數(shù)是空氣的7 7倍，其擊穿電壓不小于倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm1000 kV/mm，而空氣

4、的僅為，而空氣的僅為3kV/mm3kV/mm。因此有。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)傳感器的輸出特性的線性度得到改善。傳感器的輸出特性的線性度得到改善。u一般一般變極距型變極距型電容式傳感器的起始電容在電容式傳感器的起始電容在2020 30 pF30 pF之間，極板間距離在之間，極板間距離在2525200m200m的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/101/10，故在微位移測量，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。中應(yīng)用最廣。4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.1.2 4.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感

5、器u上圖是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。上圖是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積積S S改變，從而改變電容量。改變，從而改變電容量。圖圖4-3 變面積型電容傳感器原理圖變面積型電容傳感器原理圖4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u當(dāng)動極板相對于定極板延長度當(dāng)動極板相對于定極板延長度a a方向平移方向平移 x x時(shí)，時(shí)，可得：可得：u式中式中 為初始電容。電容相對變化為初始電容。電容相對變化量為量為u很明顯，這種形式的傳感器其電容量很明顯，這種形式的傳感器其電容量C C與水平位與

6、水平位移移xx是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為：它的靈敏度為：0r0b xCCCd 0CxCa0rbCsxd 00rCba d 4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板有一個(gè)角位移有一個(gè)角位移 時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。就改變，從而改變了兩極板間的電容量。u當(dāng)當(dāng)=0=0時(shí)，則時(shí)，則圖圖4-4 電容式角位移傳感器原理圖電容式角

7、位移傳感器原理圖0000rACd 4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)式中：式中： r r 介質(zhì)相對介電常數(shù)；介質(zhì)相對介電常數(shù)； d d0 0 兩極板間距離；兩極板間距離； A A0 0 兩極板間初始覆蓋面積。兩極板間初始覆蓋面積。u當(dāng)當(dāng)00時(shí)，則時(shí)，則u從上式可以看出，傳感器的電容量從上式可以看出，傳感器的電容量C C與角位移與角位移 呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。00000(1)rACCCd 4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)4.1.3 4.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器u下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。測

8、量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。圖圖4-5 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為 1 1，液面高度為，液面高度為h h，變換，變換器總高度為器總高度為H H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D D，則，則此時(shí)變換器電容值為：此時(shí)變換器電容值為：式中：式中： 空氣介電常數(shù)；空氣介電常數(shù)；C C0 0 由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：u可見此變換器的電容增量正比于被測液位高度可見此變換器的電容增量正比于被測液位高度h h。111022()2 (

9、)2()2lnlnlnlnlnhhhHhHCCDDDDDddddd 02lnHCDd4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來測量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、測量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。u下圖是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電極固定下圖是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電極固定不動，極距為不動，極距為d d0 0，相對介電常數(shù)為，相對介電常數(shù)為 r2r2的電介質(zhì)以不的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變

10、兩種介質(zhì)的極板覆同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。蓋面積。圖圖4-6 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)u傳感器總電容量傳感器總電容量C C為：為：式中：式中：L L0 0，b b0 0極板長度和寬度；極板長度和寬度；L L 第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。u若電介質(zhì)若電介質(zhì) ，當(dāng)，當(dāng)L=0L=0時(shí)，傳感器初始電容：時(shí)，傳感器初始電容： 當(dāng)介質(zhì)當(dāng)介質(zhì) 進(jìn)入極間進(jìn)入極間L L后，引起電容的相對變化為：后，引起電容的相對變化為：u可見電容的變化與電介質(zhì)可見電容的變化與電介質(zhì) 的移動量的移動量L L呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)

11、系。120120 00()rrLLLCCCbd010000rL bCd 11r20000(1)rLCCCCCL2r2r4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性 由以上分析可知，除變極距型電容傳感器由以上分析可知，除變極距型電容傳感器外，其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容外，其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線性的，故只討論變極距型量之間的關(guān)系均為線性的，故只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線性。平板電容傳感器的靈敏度及非線性。u由式由式C=CC=C0 0+C+C0 0 d/dd/d0 0可知，電容的相對變化量為可知，電容的相對變化量為: : u當(dāng)當(dāng) 時(shí)，則上式可按級數(shù)展開

12、，故得時(shí)，則上式可按級數(shù)展開，故得00011CddCdd0/1d d23000001.CddddCdddd4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性u由上式可見，輸出電容的相對變化量由上式可見，輸出電容的相對變化量C/CC/C與輸與輸入位移入位移dd之間呈非線性關(guān)系。當(dāng)之間呈非線性關(guān)系。當(dāng) 時(shí)，時(shí)，可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性：可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性：u電容傳感器的靈敏度為：電容傳感器的靈敏度為：u它說明了單位輸入位移所引起輸出電容相對變它說明了單位輸入位移所引起輸出電容相對變化的大小與化的大小與d d0 0呈反比關(guān)系。呈反比關(guān)系。0/1d d00CdCd001CCKdd4.2 電容式傳感器的

13、靈敏度及非線性u如果考慮級數(shù)展開式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則：如果考慮級數(shù)展開式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則：u由此可得出傳感器的相對非線性誤差由此可得出傳感器的相對非線性誤差 為：為：u由以上三個(gè)式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減由以上三個(gè)式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙小起始間隙d d0 0，但非線性誤差卻隨著，但非線性誤差卻隨著d d0 0的減小而的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。0001(1)CddCdd20()100%100%dddddd4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性

14、u下圖是變極距型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。下圖是變極距型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。u當(dāng)差動式平板電容器動極板位移當(dāng)差動式平板電容器動極板位移dd時(shí)，電容器時(shí)，電容器C C0 0的的間隙間隙d d1 1變?yōu)樽優(yōu)閐 d0 0-d-d，電容器，電容器C C2 2的間隙的間隙d d2 2變?yōu)樽優(yōu)閐 d0 0+d+d則則 圖圖4-7 4-7 差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)10011CCdd20011CCdd4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性u在在 時(shí)，則按級數(shù)展開：時(shí)，則按級數(shù)展開：u電容值總的變化量為：電容值總的變化量為：u電容值相對變化量為：電容值相對變化量為：u略去

15、高次項(xiàng)，則：略去高次項(xiàng)，則：0/1d d23100001()().dddCCddd23200001()().dddCCddd3512000022()2().dddCCCCddd24000021()().CdddCddd002CdCd4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性u如果只考慮如果只考慮電容值相對變化量式電容值相對變化量式中的線性項(xiàng)和三中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng)，則電容式傳感器的相對非線性誤差次項(xiàng)，則電容式傳感器的相對非線性誤差 近似近似為為u比較以上式子可見，電容傳感器做成差動式之比較以上式子可見，電容傳感器做成差動式之后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大

16、降低了。低了。32002 ()100%()100%2()dddddd4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題4.3.1 4.3.1 電容式傳感器的特點(diǎn)電容式傳感器的特點(diǎn)1 1優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有電阻，極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器有銅損、磁游供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器有銅損、磁游和渦流損耗等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。和渦流損耗等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡

17、單 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題 高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等殊的測量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進(jìn)行測量。低壓差，也能對帶磁工作進(jìn)行測量。動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器帶電極板間的靜電引力很小電容式傳感器帶電極板間的靜電引力很小( (

18、約幾約幾個(gè)個(gè) ), ),需要的作用能量極小，又由于它的可需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫赫510 N 茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)。作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng) 例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動

19、或偏心率、小型滾例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時(shí)，電珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。糙度等對測量的影響。4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題u電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因其帶電電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等。速度、位移等。u可

20、以做得很靈敏，分辨力高，能敏感可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01m 0.01m 甚甚至更小的位移。至更小的位移。u由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題2 2缺點(diǎn)缺點(diǎn)輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器制，一般只有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使

21、傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá) 。因此傳感器。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。6108104.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題寄生電容影響大寄生電容影響大 電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初始電容量都很小始電容量都很小( (幾幾pFpF到幾十到幾十pF)pF)，而連接傳感器，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容和電子線路的引線電纜電容(1

22、(12m2m導(dǎo)線可達(dá)導(dǎo)線可達(dá)800800pF)pF)、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的“寄生電容寄生電容”卻較大，不僅卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。不穩(wěn)定，影響測量精度。4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題4.3.2 4.3.2 應(yīng)用中存在的問題應(yīng)用中存在的問題1 1電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路u上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純上節(jié)對各種電容

23、傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如下圖所示。電路如下圖所示。圖圖4-8 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題u圖中圖中L L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；電感；uC C0 0為傳感器本身的電容；為

24、傳感器本身的電容；uC Cp p為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一；傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一；uR Rg g為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；介質(zhì)損耗；uR Rs s為高濕、高溫、高頻激勵工作時(shí)的串聯(lián)損耗為高濕、高溫、高頻激勵工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電電組它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻。阻。4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題u低頻時(shí)，傳感器電容的阻抗非常大，低頻時(shí)，

25、傳感器電容的阻抗非常大，L L和和RsRs的影響可的影響可忽略；等效電容忽略；等效電容C Ce e=C=C0 0+C+Cp p；等效電阻；等效電阻R Re eRRg g 。低。低頻等效電路如下圖所示。頻等效電路如下圖所示。u高頻時(shí)，電容的阻抗變小，高頻時(shí)，電容的阻抗變小，L L和和RsRs的影響不可忽略，的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中漏電的影響可忽略，其中Ce=CCe=C0 0+C+Cp p，而，而ReRsReRs。高。高頻等效電路如下圖所示。頻等效電路如下圖所示。圖圖4-9 4-9 低頻等效電路低頻等效電路 圖圖4-10 4-10 高頻等效電路高頻等效電路4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問

26、題u根據(jù)高頻等效電路，由于電容傳感器電容量一般根據(jù)高頻等效電路，由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而而Rg Rg 和和RsRs很小可以忽略，因此：很小可以忽略，因此：u此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 u當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由的靈敏度由k kg g變?yōu)樽優(yōu)閗 ke e，k ke e與傳感器的固有電感與傳感器的固有電感( (包包括電纜電感括電纜電感) )有關(guān)，且隨有關(guān)，且隨 變化而變化。變化而變化。u在這種情況下，每當(dāng)改變激

27、勵頻率或者更換傳輸在這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。電纜時(shí)都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。0201eCCLC2200220/(1)(1)geekCCLCkddLC4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題2 2邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)u以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。影響。u實(shí)際上當(dāng)極板厚度實(shí)際上當(dāng)極板厚度h h與極距與極距d d之比相對較大時(shí)，邊緣之比相對較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)對極板半徑為效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)對極板半徑為r r的變極的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：距型電容傳感

28、器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：u邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。生非線性。20r16ln1( )rrhCrfddd 4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題u為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如下圖所示。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上結(jié)構(gòu)，如下圖所示。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣證中間工作區(qū)得到均勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整

29、塊金屬效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。薄層金屬作為極板。圖圖4-11 帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理圖帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理圖4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題3 3靜電引力靜電引力 u電容式傳感器兩極板間存在靜電場，因而有靜電電容式傳感器兩極板間存在靜電場，因而有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情力很小

30、，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。4 4溫度影響溫度影響 u環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。差。u這種影響主要有兩個(gè)方面：這種影響主要有兩個(gè)方面：4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問題（1 1）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫感。在傳

31、感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿足溫度誤差補(bǔ)償要求。可以滿足溫度誤差補(bǔ)償要求。（2 2）溫度對介質(zhì)的影響）溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。煤油等，其介電常數(shù)

32、的溫度系數(shù)較大。4.4 電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接受，不便于傳輸。便于傳輸。u必須借助測量電路檢出這一微小電容增量，并必須借助測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。或者頻率。u電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙二極管雙T T型交流電橋

33、、脈沖寬度調(diào)制電路等。型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。4.4 電容式傳感器的測量電路4.4.1 4.4.1 調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路u調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。u雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不被測非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒頻器，用此鑒頻器可調(diào)整地易校正，因此加入鑒頻器，用此鑒

34、頻器可調(diào)整地非線性特性去補(bǔ)償其他部分的非線性，并將頻率非線性特性去補(bǔ)償其他部分的非線性，并將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。器指示或記錄儀記錄下來。u調(diào)頻測量電路原理框圖如下圖調(diào)頻測量電路原理框圖如下圖 所示，所示，CxCx為電容變?yōu)殡娙葑儞Q器。換器。4.4 電容式傳感器的測量電路u圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為式中：式中：L L0 0振蕩回路的電感；振蕩回路的電感；C C 振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容， 。其中，。其中，C C1 1為振蕩回路固有電容；為振蕩回路固有電容；C C2 2為

35、傳感器引線分布電容；為傳感器引線分布電容；而而 為傳感器的電容。為傳感器的電容。 圖圖4-12 調(diào)頻式測量電路原理框圖調(diào)頻式測量電路原理框圖12012 ()fL C12xCCCC0 xCCC4.4 電容式傳感器的測量電路u當(dāng)被測信號為當(dāng)被測信號為0 0時(shí)，時(shí)，C =0C =0，則，則 ，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率所以振蕩器有一個(gè)固有頻率 ：u當(dāng)被測信號不為當(dāng)被測信號不為0 0時(shí)，時(shí)，C0C0，振蕩器頻率有相應(yīng)，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為：變化，此時(shí)頻率為：u調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度，可以調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度，可以測至測至0.01 m0.01 m級位移變化量。信號

36、輸出易于用數(shù)字級位移變化量。信號輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以儀器測量和與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測遙控。發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測遙控。120CCCC012120012 ()fCCC L0f012120012 ()fffCCCC L 4.4 電容式傳感器的測量電路4.4.2 4.4.2 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路u運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K K非常大，而且輸入阻抗非常大，而且輸入阻抗Z Zi i很高。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感很高。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。下圖是運(yùn)算放大器式電器

37、的比較理想的測量電路。下圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖。路原理圖。圖圖4-13 運(yùn)算放大器式電路原理圖運(yùn)算放大器式電路原理圖4.4 電容式傳感器的測量電路u圖中圖中CxCx為電容式傳感器，為電容式傳感器， 是交流電源電壓，是交流電源電壓， 是是輸出信號電壓，輸出信號電壓， 是虛地點(diǎn)。由運(yùn)算放大器工作是虛地點(diǎn)。由運(yùn)算放大器工作原理可得：原理可得：u如果傳感器是一只平板電容，則如果傳感器是一只平板電容，則Cx =A/dCx =A/d，代，代入上式有：入上式有：u上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d d線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板線性關(guān)系。運(yùn)算放

38、大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。間距離式電容傳感器的非線性問題。0ixCUUC 0CiUUdA iU0U4.4 電容式傳感器的測量電路4.4.3 4.4.3 二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋u二極管雙二極管雙T T型交流電橋又稱為二極管型交流電橋又稱為二極管T T型網(wǎng)絡(luò)，如圖型網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。所示。e e是高頻電源，它提供幅值為是高頻電源，它提供幅值為UiUi的對稱方波，的對稱方波，VD1VD1、V V為特性完全相同的兩個(gè)二極管，為特性完全相同的兩個(gè)二極管， ，C C1 1、C C2 2為傳感器的兩個(gè)差動電容。當(dāng)傳感器沒有輸為傳感器的兩個(gè)差動電容。當(dāng)傳感器沒有

39、輸入時(shí)，入時(shí)，C C1 1 = C = C2 2。圖圖4-14 4-14 二極管雙二極管雙TT型交流電橋型交流電橋12DDVV、12R RR=4.4 電容式傳感器的測量電路電路工作原理如下：電路工作原理如下：u當(dāng)當(dāng)e e為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管 導(dǎo)通、導(dǎo)通、 截止，于是截止，于是電容電容C C1 1充電；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容充電；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C C1 1上上的電荷通過電阻的電荷通過電阻R R1 1、負(fù)載電阻、負(fù)載電阻R RL L放電，流過放電，流過R RL L的電流為的電流為I I1 1。u在負(fù)半周內(nèi)，在負(fù)半周內(nèi)， 導(dǎo)通、導(dǎo)通、 截止，則電容截止，則電容C C2 2

40、充電；充電；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C C2 2通過電阻通過電阻R R2 2，負(fù)載電，負(fù)載電阻阻R RL L放電，流過放電，流過R RL L的電流為的電流為I I2 2。u根據(jù)上面所給的條件，電流根據(jù)上面所給的條件，電流I I1 1= I= I2 2，且方向相反，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過在一個(gè)周期內(nèi)流過R RL L的平均電流為零。的平均電流為零。1DV2DV2DV1DV4.4 電容式傳感器的測量電路u若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0 0，則，則C C1 1CC2 2，那么，那么I I1 1II2 2，此時(shí)，此時(shí)R RL L上必定有信號輸出，其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均上必定有

41、信號輸出，其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為值為: :式中式中f f為電源頻率。為電源頻率。u當(dāng)當(dāng)R RL L已知，上式中已知，上式中 （常數(shù)），則：（常數(shù)），則：u輸出電壓輸出電壓U U0 0不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，而不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，而且與且與T T型網(wǎng)絡(luò)中的電容型網(wǎng)絡(luò)中的電容C C1 1和和C C2 2的差值有關(guān)。當(dāng)電源的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓電壓確定后，輸出電壓U U0 0是電容是電容C C1 1和和C C2 2的函數(shù)。的函數(shù)。0122(2)(CC )()LLLLiLR RRUI RR U fRR2(2)M()LLLR RRRRR012iUU fM CC4

42、.4 電容式傳感器的測量電路u該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為 1.3MHz,1.3MHz,電源電源電壓電壓Ui= 46 VUi= 46 V時(shí)時(shí), ,電容從電容從-7 -7+7pF+7pF變化，可以在變化，可以在1M1M負(fù)載上得到負(fù)載上得到-5 -5+5 V+5 V的直流輸出電壓。的直流輸出電壓。u電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)要求穩(wěn)定。當(dāng)UiUi幅值較高，使二極管幅值較高，使二極管 工作工作在線性區(qū)域時(shí)，測量的非線性誤差很小。在線性區(qū)域時(shí)，測量的非線性誤差很小。u電路的輸出阻抗與電容電路的輸

43、出阻抗與電容C C1 1、C C2 2無關(guān)，而僅與無關(guān)，而僅與R R1 1、R R2 2及及R RL L有關(guān)，其值為有關(guān)，其值為1 1100k100k。輸出信號的上升沿時(shí)。輸出信號的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對于間取決于負(fù)載電阻。對于1k1k的負(fù)載電阻上升時(shí)間的負(fù)載電阻上升時(shí)間為為 20s20s左右，故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動。左右，故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動。12DDVV、4.4 電容式傳感器的測量電路4.4.4 4.4.4 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路u下圖為一種差動脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)接通電源后，下圖為一種差動脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器若觸發(fā)器Q Q端為高電平端為高電平

44、(U(U1 1) )， 端為低電平端為低電平(0)(0)，則觸，則觸發(fā)器通過發(fā)器通過R R1 1對對C C1 1充電；當(dāng)充電；當(dāng)F F點(diǎn)電位點(diǎn)電位U UF F升到與參考電壓升到與參考電壓UrUr相等時(shí)，比較器相等時(shí)，比較器ICIC1 1產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使從而使Q Q端為低電平，端為低電平， 端為高電平端為高電平(U(U1 1) )。QQ圖圖4-15 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路4.4 電容式傳感器的測量電路u此時(shí)，電容此時(shí)，電容C C1 1通過二極管通過二極管D D1 1迅速放電至零，而觸發(fā)迅速放電至零，而觸發(fā)器由器由 端經(jīng)端經(jīng)R R2 2向向C C

45、2 2充電；當(dāng)充電；當(dāng)G G點(diǎn)電位點(diǎn)電位U UG G與參考電壓與參考電壓UrUr相等時(shí)，比較器相等時(shí)，比較器ICIC2 2輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程。從而循環(huán)上述過程。u可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容脈沖的寬度受電容C C1 1、C C2 2調(diào)制。當(dāng)調(diào)制。當(dāng)C C1 1=C=C2 2時(shí)，各點(diǎn)時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如下圖的電壓波形如下圖 (a) (a)所示，所示，Q Q和和 兩端電平的脈沖兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C C1 1C

46、C2 2時(shí)，時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如下圖各點(diǎn)的電壓波形如下圖(b)(b)所示，所示，Q Q、 兩端間的平兩端間的平均電壓（經(jīng)一個(gè)低通濾波器）為：均電壓（經(jīng)一個(gè)低通濾波器）為： QQQ120112TTUUTT4.4 電容式傳感器的測量電路 上式中：上式中：T T1 1和和T T2 2分別為分別為 端和端和 端輸出方波脈沖端輸出方波脈沖的寬度，亦即的寬度，亦即C C1 1和和C C2 2的充電時(shí)間。的充電時(shí)間。（a） （b）圖圖4-16 各點(diǎn)電壓波形圖各點(diǎn)電壓波形圖QQ4.4 電容式傳感器的測量電路u根據(jù)電路知識可求出根據(jù)電路知識可求出u將這兩個(gè)式子代入上式，可得將這兩個(gè)式子代入上式，可得u當(dāng)該電路用

47、于差動式變極距型電容傳感器時(shí)，由當(dāng)該電路用于差動式變極距型電容傳感器時(shí)，由上式有：上式有：11111lnrUTRCUU12221lnrUTR CUU120112CCUUCC010dUUd4.4 電容式傳感器的測量電路u這種電路只采用直流電源，無需振蕩器，要求這種電路只采用直流電源，無需振蕩器，要求直流電源的電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度的直流電源的電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。u用于差動式變面積型電容傳感器時(shí)有：用于差動式變面積型電容傳感器時(shí)有：u這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形和相移失真；輸出信

48、號只需要通過低通濾波器和相移失真；輸出信號只需要通過低通濾波器引出；直流信號的極性取決于引出；直流信號的極性取決于C C1 1和和C C2 2；對變極；對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。從而使傳輸誤差和干擾大大減小。01AUUA4.4 電容式傳感器的測量電路4.5.5 4.5.5 變壓器電橋變壓器電橋u如下圖所示，如下圖所示，C C1 1、C C2 2為傳感器的兩個(gè)差動電容。為傳感器的兩個(gè)差動電容。圖圖4-17 變壓器電橋變壓器電橋4

49、.4 電容式傳感器的測量電路u電橋的空載輸出電壓為：電橋的空載輸出電壓為：u對變極距型電容傳感器對變極距型電容傳感器 ， ，代入上式得：代入上式得：u可見，對變極距型差動電容傳感器的變壓器電可見，對變極距型差動電容傳感器的變壓器電橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線性。橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線性。12012CCUUCC2010ACdd020ACdd002d UUd4.5 電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，可以不用有電容式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，可以不用有機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，所以它可以在溫度變機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，所以它可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。化大、有

50、各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。u電容式傳感器可以制成非接觸式測量器，響應(yīng)電容式傳感器可以制成非接觸式測量器，響應(yīng)時(shí)間短，適合于在線和動態(tài)測量。時(shí)間短，適合于在線和動態(tài)測量。u電容式傳感器具有高靈敏度，且其極間的相互電容式傳感器具有高靈敏度，且其極間的相互吸引力十分微小，從而保證了較高的測量精度。吸引力十分微小，從而保證了較高的測量精度。u近年來電容式傳感器被廣泛地應(yīng)用在厚度、位近年來電容式傳感器被廣泛地應(yīng)用在厚度、位移、壓力、密度、物位等物理量的測量中。下移、壓力、密度、物位等物理量的測量中。下面簡單介紹幾種電容式傳感器的應(yīng)用。面簡單介紹幾種電容式傳感器的應(yīng)用。4.5 電容式傳感器的應(yīng)用4.5.1

51、 4.5.1 數(shù)字濕度計(jì)數(shù)字濕度計(jì)u濕度的檢測廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、濕度的檢測廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。濕度的測量一般用濕敏元件。生活等各個(gè)領(lǐng)域。濕度的測量一般用濕敏元件。u常用的濕敏元件有阻抗式濕敏元件和電容濕敏元常用的濕敏元件有阻抗式濕敏元件和電容濕敏元件。前者的阻抗與濕度曲線呈現(xiàn)非線性；后者的件。前者的阻抗與濕度曲線呈現(xiàn)非線性；后者的電容與濕度曲線基本呈線性關(guān)系。電容與濕度曲線基本呈線性關(guān)系。u下面介紹下面介紹MC-2MC-2型電容濕敏元件的應(yīng)用，其基本原型電容濕敏元件的應(yīng)用，其基本原理是相對濕度的變化影響到聚合物的介電常數(shù)，理是相對濕度的變化影響到聚合物

52、的介電常數(shù)，從而改變了傳感器的電容值。從而改變了傳感器的電容值。u傳感器測量電路包括自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制傳感器測量電路包括自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制電路、頻率電路、頻率/ /電壓轉(zhuǎn)換器電路電壓轉(zhuǎn)換器電路F/VF/V和和A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。如下圖所示。如下圖所示。4.5 電容式傳感器的應(yīng)用圖圖4-18 4-18 數(shù)字濕度計(jì)電路數(shù)字濕度計(jì)電路R912kRp210k-9VICM7555CONTV5OUT3DISCH7V+8GND1RESET4TRIG2THOLD6ICM7555CONTV5OUT3DISCH7V+8GND1RESET4TRIG2THOLD6+9VR1100kR210kC12

53、00p0R375kC20.1uCmc數(shù)碼管R410M0-+ICL7611326748R6R512kRp1100.1u130kR7R81MICL7106IN+31IN-30REF-35REF+36COM32V+1V-26R10110k0.01u4.5 電容式傳感器的應(yīng)用4.5.2 4.5.2 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器u下圖所示為頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)下圖所示為頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)組成框圖。組成框圖。 （a） （b） 圖圖4-19 頻率型差動式電容式電容測厚傳感器原理框圖頻率型差動式電容式電容測厚傳感器原理框圖4.5 電容式傳感器的應(yīng)用u 將被測電容將被測電容C C1 1、C C2 2作為各變換振蕩器的回路電作為各變換振蕩器的回路電容，振蕩器的其它參數(shù)為固定值，等效電路如容，振蕩器