天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education
课程论文
学院：机械工程学院
指导教师：孙宏昌
班级：机检0812
学号：03340081238
姓名：李谋军
二〇一二年七月
目录
一、电容传感器简介 (3)
二、电容传感器分类及原理 (3)
三、电容的选择 (5)
四、放大电路的选择 (6)
五、市场调查选择传感器 (6)
六、传感器各部件列表 (11)
七、总结 (12)
八、参考文献 (12)
九、成员分工 (12)
一、电容传感器简介
摘要：电容传感器是一种将被测非电量的变化转换成电容式变化的传感器。电容式传感器具有灵敏度高、稳定性好、结构简单、使用寿命长以及可以进行非接触测量等特点，非常适合在高潮湿、高尘埃及超高低温等恶劣环境下长期使用，广泛应用于压力、差压、液压、振动、加速度、成分含量等方面的测量。Abstract ：Capacitance sensor is a kind of non electric quantity
measured changes into capacitive variation sensor. Capacitance type sensor has high sensitivity, good stability, simple structure, long service life and can be non contact measurement features, very suitable for high humid, high dust and high temperature conditions for long-term use, widely used in pressure, differential pressure, hydraulic pressure, vibration, acceleration, composition and other aspects of the content measurement.
关键词：电容位移传感器、灵敏度、云母电容、陶瓷电容、铁电陶瓷电容、薄膜电容、运算放大器
Key words：Capacitive displacement sensor, sensitivity, mica capacitors, ceramic capacitor, ferroelectric ceramic capacitor, film capacitors, operational amplifier
二、电容传感器分类及原理
（一）、工作原理：
S ——极板相对覆盖面积；
d ——极板间距离；
εr——相对介电常数；
r
S
S
C
d d
εε
ε
==
δ
S
ε
ε0——真空介电常数（8.85pF/m ）； ε ——电容极板间介质的介电常数。
（二）、分类 1、变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为
△C 与△x 间呈线性关系
2、变介电常数型电容式传感器
当L=0时，传感器的初始电容
当被测电介质进入极板间
L 深度后，引起电
容相对变化量为 电容变化量与电介质移动
量L 呈线性关系
3、变极距型电容传感器
0000()r r r a x b C C C d
ab xb d d
εεεεεε-?=-?=?=
-
20
10021)(d L L L b C C C r r εεε+-=+=0
2000)1(L L C C C C C r -=-=?ε0
0000
00100d b L d b L C r εεε=
=
初始电容 若极距缩小△d
由公式知为非线性关系 。若△d/d<<1时，则式（3.3.3）可简化为
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性。
三、电容的选择
几种常见的电容材料：
1、云母电容：用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板，极板和
云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。它的特点是介质损耗小，绝缘电阻大、温度系数小，适宜用于高频电路。
2、陶瓷电容：用陶瓷做介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后烧成银质薄膜做极板制成。它的特点是体积小，耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适宜用于高频电路。
3、铁电陶瓷电容：容量较大，但是损耗和温度系数较大，适宜用于
低频电路。
4、薄膜电容：结构和纸介电容相同，介质是涤纶或者聚苯乙烯。涤
纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。 聚苯乙烯薄膜电容，介质损耗小，绝缘电阻高，但是温
d s C r εε00=200001)1(1??
? ???-?+
=?-=?-=?+=d d d d C d d C d d s C C C r εεd
d
C C C ?+=00
d
S
ε
度系数大，可用于高频电路。
四、放大电路的选择
运算放大器式电路
将电容传感器接入运算放大电路中，作为电路的反馈元件，如图3.3.所示图中C 是固定电容，C X 是传感器电容，1u 是交流电压源，0u 是输出信号电压。在开放放大倍数为A 和输出阻抗Z 1较大的情况下，有
i C C
u X u -=0
将d
S
C X ε=
代入得d s
c
u u i
ε-=0 式中“—”表示输出电压0u 的相位与电源电压i u 反相。式(3.3.20)说明0u 与d 成线性关系，表明运算放大器电路能克服变极距型电容传感器C 与d 的非线性，但要求A 及i z 足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压i u 的幅度及固定电容C 的稳定。
图 运算放大器电路原理图
五、市场调查选择传感器
经过本族成员的讨论：从经济、测量精度、稳定性、受温度影响小、对人体无害等因素。我们选用陶瓷电容作为传感器材料，并从传感器的高线性度，及高精度测量我们选用圆柱差动变面积式电容位
u
C
- A
C X
∑ ～
u
移传感器。
所选用差动变面积式电容位移传感器原理：
电容设计图
圆柱式电容的计算公式为
ln(D/d)
πεx
2=
C 式中：x 为内、外电极重叠部分的长度；
D 、d 分别为外电极内径与内电极外径。
当重叠部分长度x 发生变化时，电容的变化量为
ln(D/d)
πεΔx
2ln(D/d)x)-πε(L 2ln(D/d)πεx 2ln(D/d)πεL 2ΔC 0==-=
-=C C
灵敏度为
ln(D/d)
πε
2Δx ΔC ==
K 设计一个圆柱式差动变面积电容位移传感器测量大位移，可以测量0~±1mm 的距离，传感器由两组定片盒一组动片组成。当动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生
相应变化，成为差动电容。将上层定片与动片形成的电容定位C x1，下层定片与动片形成的电容定为C x2，当C x1 和C x2接入桥路作为相邻臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。
电容剖面图
采用变压器电桥将电容变化转化为电压变化。
变压器电桥的两个平衡臂是变压器的次级绕组，另两个为差动电容传感器的电容。桥路的输出电压为
21212112110
C ΔC 22)12(22E C C C C E
C C C E E C C C E U x x x x x x x x x x =
+-=-+=-+= 电容的相对变化即为动片位移的相对变化
x Δx
ln(D/d)
πεx 2ln(D/d)πεΔx
2C ΔC == 所以，电桥的输出电压可以写为
0L Δx 2x Δx 2E E U == 差动电容传感器的变化量相对于具有一个动片、静片的位移传感器来
说多一倍
x2x1C -C ΔC =
其线性度要有所提高，灵敏度为
ln(D/d)
πε
4Δx ΔC ==
K 灵敏度要求为2.3PF/mm ，ε=8.85PF/mm ，可求得D/d=10.50. 所以，可以令D=3.5mm ，d=0.348mm
附 录：
发光二极管
品牌：HOLTEK 型号：HT1621B
类型： 发光二极管 品牌： 鹏远光电 型号： 5WR4-Y-T 结构： 面接触型 材料： 磷化镓(GaP) 封装形式： 直插型 封装材料： 树脂封装 功率特性： 小功率 频率特性： 中频 发光 颜色： 红色 LED 封装： 加色散射封装(D) 出光面特征： 方形
发光强度角分布： 高指向性 最高反向电压VR ： 5（V ） 正向直流电流IF ： 20（A ） 价格 0.06元
驱动芯片 品牌： IWATT
型号： IW1678-00 封装： SOT23-5 批号： 2011 类型： 驱动IC 价格 1.30元 产品品牌： IWATT 产品型号： IW1678-00 放大器 品牌：TI
型号： OP07CDR 封装： SOP-8 批号： 10 类型： 放大器 价格 0.70元/片 产品品牌： TI 产品型号： OP07CDR
稳压管
产品类型：稳压管
品牌：先科
型号：MM3Z4V3 材料：硅(Si)
主要参数：2V-48V
价格0.09元
产品品牌：先科
产品型号：MM3Z4V3
可控晶闸管
品牌：Mitsubishi三菱型号：三菱FT500
控制方式：GTO(门极关断) 极数：二极
封装材料：陶瓷封装封装外形：圆壳
价格 1 .00元
产品品牌：Mitsubishi三菱产品型号：三菱FT500
直流电源
输出电流：0.5A-12.5A 输入电压：100V-240V（V）输出电压：24（V）
电压调整率：1（%）负载调整率：5（%）输出功率：24W（W）输出纹波噪音：240 类型：直流开关电源晶体管连接方式：单端式工作效率：85（%）型号：24V系列输出电压精度：1（%）品牌：衡孚调制方式：脉冲调频调宽式产品认证：SAA
DC输出线长：1.2米/1.5米可制定线长
DC输出头尺寸：5.5mm*2.5mm/ 5.5mm*2.1mm 多种规格尺寸可选配
价格8.00元/台
型号：24V系列
导线
价格：1元/米
品牌：津海型号：BV
线芯材质：裸铜线芯数： 1
护套材质：聚氯乙烯电线最大外径：国标（mm）
护套厚度：国标（mm）产品认证：CCC
电阻
价格：0.05元
品牌：VIKING 型号：AR/RJM/CS/LR
种类：金属膜电阻性能：精密材料：薄膜
制作工艺：膜式非线绕型外形：平面片状标称阻值：1R-2M2
允许偏差：0.01%-1% 温度系数：5PPM 额定功率：1/32--1（W）
功率特性：小功率频率特性：低频
耦合电容
价格 0.03元
品牌： 翔威 XW 型号： NPO 电容 介质材料： 陶瓷(瓷介) 应用范围： 滤波 外形： 圆片形 功率特性： 小功率 频率特性： 低频 调节方式： 固定 引线类型： 径向引出线 允许偏差： ±10（%） 耐压值： 250（V ） 标称容量： 100（uF ） 损耗： 0.0015 额定电压： 100（V ）
陶瓷电容 价格 0.03元
品牌： 翔威XW 型号： 齐全 介质材料： 陶瓷(瓷介) 应用范围： 滤波 外形： 圆片形 功率特性： 小功率 频率特性： 低频 调节方式： 固定 引线类型： 径向引出线 允许偏差： ±10（%） 耐压值： 100（V ） 标称容量： 0.5P ～224（uF ） 损耗： 0.0250 额定电压： 16V ～50KV （V ）
六、传感器各部件列表
七、总结
这为期两周的课程设计在众人齐心合力之下完成了，在整个
符号 名称 数量 价格
总成本
C 陶瓷电容 2 0.03元/个
12.35元 R 电阻 若干 0.05元/个 C 0 耦合电容 1 0.03元/个 LED 发光二极管 2 0.06元/个 74LS245 驱动芯片 1 1.3元/个 μPC324 运算放大器 1 0.7元/个 VDS 稳压管 1 0.09元/个 VD 可控晶闸管 1 1元/个 VCC 直流电源 1 8元/个
导线
若干
1元/个
设计过程中，首先我们从资料图书馆网上获取资料，加以整理从中剔除无用，划出有用也让我从中吸取很多经验，我们的分工合作明确，也使得我们的提高进度的重要原因，与以往有所不同的涉及面更广综合性更强，需各方协作，进行跨学科的整合，从电工学到材料等，以传感器为主的综合课程设计，在一个相对较短的时间当中完成了系统的方案，在各组员的努力下我们克服诸多疑点难点，最终得到了这样一个比较系统结果，这是我们的幸运之处，当然时间相对短促也是我们没能做到严谨完整，以及限于学生水平有限，有不足之处，希望老师批评指正。
八、参考文献
1.徐科军.传感器与检测技术.电子工业出版社,2011
2.张红润.传感器技术大全（下册）.北京航空航天大学出版社,2007
3.何金田,张斌. 传感器原理与应用课程设计指南.哈尔滨工业大学出版社,2010
4.田裕鹏,姚恩涛,李开宇.传感器原理(第三版) .科学出版社,2007
5.潘雪涛,温秀兰.传感器原理与检测技术.国防出版社,2011
6.单成祥,张春.传感器设计基础.国防工业出版社,2007
九、成员分工
赵磊：设计框架、组织成员分工、电容材料选择
江群：市场调查选择相应元件、制作PPT
王岩：电容传感器类型搜集、收集及整理资料
李谋军：放大器的设计及选择、市场调查
结果：确定传感器类型为差动变面积式电容位移传感器。
完成时间：2012年7月4日