电容式传感器论文教材
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
C= ?S/δ= ?0?r S/δ 式中 S ——极板相互遮盖面积（m 2
）；
δ——两平行板间距离（m ）；
?r ——极板间介质的相对介电常数； ?0 ——真空的介电常数（8.85×10－12
F/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的非线性误差：
2
定极
动极 d 1
电容式传感器结构
● 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：
●
● 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
●
3 3.1运算放大器式电路
●
电路：
x
3.2 电桥电路
● 电路
x ?
d
3.3
● 直放式调频
● 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
● 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。
i U 0
? 振荡器要求稳定性高。 3.5二极管T 型网络 ● 电路
● 当0>i E 时：
1C 充电i i E C D E →→→11，；
2C 放电222C R R C f →→→，22112C R R D E C i →→→→→ ● 当0
2C 充电i i E C D E →→→22，；
1C 放电111C R R C f →→→，11221C R R D E C i →→→→→
● 1C 放电111C R R C f →→→和2C 放电222C R R C f →→→形成电流正0I 和负0I ，0I 的平均值为两者之差。 ● 平衡时：21C C = ? 00=I ? 00=U ● 平衡时：21C C ≠ ? 00≠I ? 00≠U ● 特点：
? i E 、1C 、2C 、f R 有共同的地
? 工作电平高，21,D D 都工作于线性区 ? 输出电压高
? 输出电流大，Ω=100~1R 时，A mA I μ1~10=数量级
? 上升时间小，Ω=k R f 1时，s t μ20=?数量级。适合高速测量。 3.6 脉冲宽度调制电路 ● 电路
i E 方波电源 传感器电容 平衡电容 负载电阻
D
0I 0E
f
U
● 初值：0==D C U U
● 加电时假设：1U U A =，0=B U ，这时1C 充电，C U 不断提高，2
C 不充电，0=
D U 不变。
● 不断提高的f C U U >时，S 触发使0=A U ，1U U B = ，这时1C 通过
1D 快速放电充电使0=C U ，而2C 开始充电，D U 不断提高。 ● 不断提高的f D U U >时，R 置位使0=B U ，1U U A = ，这时2C 通过
2D 快速放电充电使0=D U ，而1C 开始充电，C U 不断提高。 ● 输出电压脉冲宽度与1C 和2C 充电时间常数有关，从而使得输出电压的平均值与1C 和2C 的大小有关。设21R R =
12
12
10U C C C C U U AB +-==
● 变极板距离电容时：
11
21
20U d d d d U U AB +-==
对于差动电容：021C C C ==，d d d ?-=01，d d d ?+=02
10
0U d d
U U AB ?==
● 变面积电容时：
12
12
10U A A A A U U AB +-==
对于差动电容：021C C C ==，A A A ?+=01，A A A ?-=02
10
0U A A
U U AB ?==
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。
● 采用驱动电缆法，以消除电缆电容效应。
● 采用整体屏蔽法，以消除寄生参数效应。整体屏蔽法就是将整个传感器桥体，包括电源和电缆，用一个统一屏蔽保护起来P104图5-23。
5 电容式传感器的应用
5.1 压差式电容压力传感器
构成：膜片——动极板，一般采用不锈钢材料制作，需要加预张力。玻璃基片上镀有金属层的球面极板，这里的球面很夸张。球面的作用是压力过大时（过载）保护膜片，并改善系统的非线性。后续测量电路常使用差动脉冲调宽电路。
由压差式电容压力传感器工作过程可得：
（C 1-C 2）/（C 1+C 2）=K （P H -P L ）
式中 C 1 C 2 ——电容（F ）；
K ——常数，与传感器结构有关；
P H ——两球室承受的低压（P a ）； P L ——两球室承受的高压（P a ）。
5.2 电容测厚仪
电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中的厚度的在线检测仪器。
在被测带材的上下两侧各设置一块面积相等、与带材距离相等的 极板，两块用导线连接作为传感器的一个电极板。带材本身则是电容 传感器的另一个电极板。当带材在轧制过程中的厚度发生变化时，引起电容的变化。通过测量电路与指示仪表可显示带材的厚度。
A=1
测量电路 外屏蔽 内屏蔽
等电位
5.3电容传声器
驻极体电容传声器大膜片电容传声器
传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。
电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。
5.4 电容式指纹传感器
传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。