傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第二版）電容式傳感器

電容式傳感器本章內(nèi)容

4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

4.2電容式傳感器的測量電路

4.3電容式傳感器的應(yīng)用

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器的工作原理、分類和測量電路。掌握電容傳感器的基本使用方法和典型應(yīng)用。由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型3種。

4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

圖4-1電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式4.1.1變極距型電容傳感器當(dāng)傳感器的

r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有

傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是曲線關(guān)系。若Δd/d0<<1時(shí)，1?（Δd/d0）2≈1，則上式可以簡化為

此時(shí)C與Δd近似呈線性關(guān)系，在d0較小時(shí)，對于同樣的Δd變化所起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小。容易引起電容器擊穿或短路。為此，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)。云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。在微位移測量中應(yīng)用最廣。

圖4-2變極距型電容式傳感器 圖4-3電容量與極板間距的關(guān)系

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)。在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移Δd時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd,則

差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖差動的好處：靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善

4.1.2變面積型電容式傳感器

1、線性位移電容傳感器當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時(shí)，則電容變化量為

電容相對變化量為： 很明顯，這種傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線牲關(guān)系。

圖4-5變面積型電容器原理圖

圖4-6電容式角位移傳感器原理圖

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。

請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！

2、電容式角位移傳感器當(dāng)動極板有一個(gè)角位移

時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)動極板轉(zhuǎn)動

時(shí)，則4.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)

根據(jù)表分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？

1、原理設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為

1，液面高度為h，變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為

變換器的電容增量正比于被測液位高度h。

2、應(yīng)用用來測量紙張、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。

圖4-7電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 圖4-8變介質(zhì)型電容式傳感器4.2電容式傳感器的測量電路

4.2.1調(diào)頻電路

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)。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻式測量電路原理框圖如下圖所示。圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為

式中：L——振蕩回路的電感；C——振蕩回路的總電容，C=C1+C

2+C

x，其中C1為振蕩回路固有電容，C

2為傳感器引線分布電容，C

x=C

0±ΔC為傳感器的電容。

圖4-9調(diào)頻式測量電路原理圖

當(dāng)被測信號不為0時(shí)，ΔC≠0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01

m級位移變化量。

4.2.2運(yùn)算放大器式電路

由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高，運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。由運(yùn)算放大器工作原理可得

如果傳感器是一只平板電容，可得

式中：“?”號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。

圖4-10運(yùn)算放大器式電路原理圖

4.2.3二極管雙T形交流電橋1、當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：

①當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，電源U經(jīng)電阻R1以電流I1向負(fù)載RL供電，與此同時(shí)電容C2經(jīng)R2和負(fù)載RL放電電流為I2，流經(jīng)負(fù)載的電流為I1和I2之和，它們的極性如圖4-11（b）所示；

②在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通、VD1截止，于是電容C2充電，電源U經(jīng)電阻R2以電流I2＇向負(fù)載RL供電，與此同時(shí)電容C1經(jīng)R1和負(fù)載RL放電電流為I1＇，流經(jīng)負(fù)載的電流為I1＇和I2＇之和，它們的極性如圖4-11（c）所示。根據(jù)上面所給的條件，C1=C2時(shí)，電源正半周和負(fù)半周流過負(fù)載的電流的平均值大小相等，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。

2、若傳感器輸入不為0，則C1≠C2，I1≠I2，此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為

若 則輸出電壓可改寫為

U0=UfM(C1?C2)輸出電壓U0不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中電容C1和C2的差值有關(guān)。故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動。

圖4-11二極管雙T形交流電橋（a）電路原理圖；（b）高頻電源正半周等效電路圖；（c）高頻電源負(fù)半周等效電路圖

4.2.4環(huán)形二極管充放電法

基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測電容成正比的微安級電流。

當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí)，電容Cx、Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對電容Cx充電的電流，如圖3-12中i1所示的方向，對Cd充電的電流如i3所示方向。在充電過程中（T1這段時(shí)間），VD2、VD4以一直處于截止?fàn)顟B(tài)。在T1這段時(shí)間內(nèi)由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動的電荷量為q1=Cd(E2?E1)。

當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時(shí)，Cx和Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、i4所示的方向。在放電過程中（T2時(shí)間內(nèi)），VD1、VD3截止。在T2這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向A點(diǎn)流過的電荷量為q2=Cx(E2?E1)。

設(shè)方波的頻率f=1/T0（即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)），則由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2=Cxf(E2?E1)，而從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3=Cdf(E2?E1)，流過此支路的瞬時(shí)電流的平均值為

令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx，調(diào)節(jié)Cd=C0，則

I正比于ΔCx。圖4-12環(huán)行二極管電容測量電路原理圖

4.2.5脈沖寬度調(diào)制電路圖中Cx1、Cx2為差動式電容傳感器，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q=1，=0，A點(diǎn)高電位通過R1對Cx1充電，時(shí)間常數(shù)

1=R1Cx1，直至F點(diǎn)電位高于Ur，比較器A1輸出正跳變信號。

與此同時(shí)，因=0，電容器Cx2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q=0，=1，于是A點(diǎn)為低電位，Cx1通過VD1迅速放電，而B點(diǎn)高電位通過R2對Cx2充電，時(shí)間常數(shù)為

2=R2Cx2，直至G點(diǎn)電位高于參比電位Ur。比較器A2輸出正跳變信號，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

①當(dāng)差動電容器Cx1=Cx2時(shí)，

A、B兩點(diǎn)間的平均電壓值為零。

②當(dāng)差動電容Cx1≠Cx2，且Cx1＞Cx2，則

1=R1Cx1＞

2=R2Cx2。此時(shí)UA、UB脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期（T1+T2）時(shí)間內(nèi)的平均電壓值不為零。此UAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，可獲得Uo輸出為

圖4-13脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形

將

代入上式得若是平行板電容有：

在變面積電容傳感器則有：由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器。

4.3電容式傳感器的應(yīng)用4.3.1電容式油量表（1）當(dāng)油箱中無油時(shí)，電容傳感器的電容量Cx=Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R4=R3；并使調(diào)零電位器RP的滑動臂位于0點(diǎn)，即RP的電阻值為0。此時(shí)，電橋滿足Cx/C0=R4

/R3的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ=0。

1.電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為

m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。

該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？4.3電容式傳感器的應(yīng)用4.3.2電容式液位計(jì)當(dāng)兩極板間的絕緣液體液位越高時(shí)，極板之間的電容量也就越大。當(dāng)被測介質(zhì)是導(dǎo)電的液體（例如水溶液）且液罐是導(dǎo)電金屬時(shí)，可以將液罐接地，并作為液位計(jì)的外電，這時(shí)內(nèi)、外電極的極距只是聚四氟乙烯套管的壁厚。

（a）（b）圖4-16電容液位計(jì)（a）原理圖；（b）外形圖

4.3.3差動式電容測厚傳感器

電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測。在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1+C2，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。

圖4-17差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖

圖4-17差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖電容式接近開關(guān)的核心是以單個(gè)極板作為檢測端的電容器，檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端。測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，并用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封。1．電容式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理4.3.4電容式接近開關(guān)

電容式接近開關(guān)原理圖

當(dāng)沒有物體靠近檢測極時(shí)，檢測板與大地的容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)的LC振蕩電路:Q＝１／（ωCR）。當(dāng)被檢測物體為地電位的導(dǎo)電體(例如與大地有很大分布電容的人體、液體等)時(shí)，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值下降，導(dǎo)致振蕩器停振。2024/2/21

當(dāng)被檢測物體不接地或絕緣被測物接近檢測極板時(shí)，由于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，從而使LC振蕩電路的Q值降低。

對介質(zhì)損耗較大的介質(zhì)(例如各種含水有機(jī)物)而言，它在高頻交變極化過程中是需要消耗一定能量的(轉(zhuǎn)為熱量)，該能量由LC振蕩電路提供，必然使LC振蕩電路的Q值進(jìn)一步降低。當(dāng)被測物體靠近到一定距離時(shí)，振蕩器的Q值低到無法維持振蕩而停振。根據(jù)輸出電壓U。的大小，可大致判定被測體接近的程度。2024/2/212、電容式接近開關(guān)特性1一地電位導(dǎo)電物體2一非接地導(dǎo)電物體3一含水有機(jī)物

動作距離與被檢測物體的材料、性質(zhì)及尺寸的關(guān)系

電容式接近開關(guān)的檢測距離與被測物體的材料性質(zhì)有很大關(guān)系：當(dāng)被測物是接地導(dǎo)體靈敏度最高；當(dāng)被測物為絕緣體時(shí)，必須依靠極化原理來使LC振蕩電路的Q值降低，靈敏度較差；當(dāng)被測物為玻璃、陶瓷及塑料等介質(zhì)損耗很小的物體，它的靈敏度就極低。2024/2/21

電容式接近開關(guān)使用時(shí)必須遠(yuǎn)離金屬物體，即使是絕緣體對它也有一定的影響。它對高頻電場也十分敏感，因此兩只電容式接近開關(guān)也不能靠得太近，以免相互影響。

對金屬物體而言，不必使用易受干擾的電容式接近開關(guān)，而應(yīng)選擇電感式接近開關(guān)。因此只有在測量絕緣介質(zhì)時(shí)才應(yīng)選擇電容式接近開關(guān)。2024/2/213、電容式接近開關(guān)的安裝標(biāo)號安裝距離說明S1≥1Sn檢測面與支架的間距S2≥3Sn檢測面與背景的間距S3≥5Sn

并列安裝間距S4≥3Sn檢測面與側(cè)壁的間距電容式接近開關(guān)的安裝電容式接近開關(guān)的安裝標(biāo)注及含義2024/2/214、電容式接近開關(guān)使用注意事項(xiàng)

1）電容式接近開關(guān)理論上可以檢測任何物體，當(dāng)檢測過高介電常數(shù)物體時(shí)，檢測距離要明顯減小，這時(shí)即使增加靈敏度也起不到效果。2）電容式接近開關(guān)的接通時(shí)間為50ms，所以在用戶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，當(dāng)負(fù)載和接近開關(guān)采用不同電源時(shí)，務(wù)必先接通接近開關(guān)的電源。3）當(dāng)使用感性負(fù)載（如燈、發(fā)動機(jī)等）時(shí)，其瞬態(tài)沖擊電流較大，在這種情況下，應(yīng)經(jīng)過交流繼電器作為負(fù)載來轉(zhuǎn)換使用4）請勿將接近開關(guān)置于200Gauss以上的直流磁場環(huán)境下使用，以免造成誤動作。2024/2/21

5）DC二線的接近開關(guān)具有0.5-1mA的靜態(tài)泄漏電流，在和一些對DC二線接近開關(guān)泄漏電流要求較高的場合下盡量使用DC三線的接近開關(guān)。6）避免接近開關(guān)在化學(xué)溶劑，特別是在強(qiáng)酸，強(qiáng)堿的環(huán)境下使用。7）為了保證意外性發(fā)生，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。8）為了使電容式接近開關(guān)長期穩(wěn)定工作，由于其受潮濕、灰塵等因素的影響比較大，請務(wù)必進(jìn)行定期的維護(hù)，包括檢測物體和接近開關(guān)的安裝位置是否有移動或松動，接線和連接部位是否接觸不良，是否有粉塵粘附。

本章小結(jié)電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作。廣泛應(yīng)用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面測量。隨著電容測量技術(shù)的迅速發(fā)展，電容式傳感器在非電量測量和自動檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

思考題與習(xí)題4-1根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型有什么特點(diǎn)？適用于什么場合？4-2試分析變面積式電容傳感器的靈敏度?怎么提高傳感器的靈敏度?4-3變間隙電