第三章 电容式传感器

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1、第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器物位测量物位测量第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第一节第一节 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构第二节第二节 误差的因素及改进措施误差的因素及改进措施 第三节第三节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路第四节第四节 电容传感器的应用举例电容传感器的应用举例内容提要内容提要学习目标学习目标 掌握电容传感器类型及各种类型的工作原掌握电容传感器类型及各种类型的工作原理；了解输出特性及减少线性误差的措施；理；了解输出特性及减少线性误差的措施；了解误差的影

2、响因素及改进措施了解误差的影响因素及改进措施 ；掌握各种；掌握各种测量电路及工作原理；熟悉电容传感器应用。测量电路及工作原理；熟悉电容传感器应用。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第一节第一节 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构一、基本工作原理一、基本工作原理 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 3 3、变介质型电容式传感器、变介质型电容式传感器二、差动式电容传感器二、差动式电容传感器 1 1、变面积型差动电容传感器、变面积型差动电容传感器 2 2、变极距型差动电容传感器、变极距型差动电容传感器三、电容传感器

3、输出特性三、电容传感器输出特性四、电容传感器等效电路四、电容传感器等效电路第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一、基本工作原理一、基本工作原理平板电容器，其电容量为平板电容器，其电容量为 ：: 电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数，=0 0r r0 0 : : 真空介电常数真空介电常数r r: : 极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数； A A: : 两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积； d d: : 两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。 r0dAdAC第三章第三章 电容式传感器电容式传感器d dd dA Ar r1 1A A面积，称变面积型传感器面积

4、，称变面积型传感器 d距离，称变极距型传感器距离，称变极距型传感器 介质，称变介质型传感器介质，称变介质型传感器dAC 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 初始电容初始电容: :00dAC距离距离: :缩小缩小d d20000000111ddddCddCddACCCd d0 01-1-定极板定极板2-2-动极板动极板d电容量电容量: : 增大了增大了C C第三章第三章 电容式传感器电容式传感器若若d/d01时，时，1-(d/d0)21000ddCC在在d d 极小极小范围内变化范围内变化00ddCC001/ddCCK200011ddddCC第三

5、章第三章 电容式传感器电容式传感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d电容量与极板间电容量与极板间距离之间的关系距离之间的关系 若若d/d01时，时，1-(d/d0)21，则：，则：000200011ddCCddddCC 此时此时C C与与d d近似呈线性关系，近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器往往所以变极距型电容式传感器往往设计成设计成在在d d极小范围内变化极小范围内变化。00ddCC001/ddCCK第三章第三章 电容式传感器电容式传感器gdgd0000ddACggg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；

6、空气隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 C C0 020100pF20100pF之间之间d d0 025200m 25200m 的范围内的范围内dd小于间距的小于间距的1/101/10第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。化。举例举例1 1第三章第三章 电容式传感器电容式传

7、感器举例举例1 1第三章第三章 电容式传感器电容式传感器2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型动极板沿动极板沿长度方向长度方向平移平移x xaxCdbxaC1)(0axCC0C与与x呈线性关系呈线性关系axkCC10第三章第三章 电容式传感器电容式传感器(2) (2) 角位移型角位移型动 极 板定 极 板当当=0时，则时，则 00dAC当当0时，时， 则则 0001CCdACC与角位移与角位移呈线性关系呈线性关系第三章第三章 电容式传感器电容式传感器双联电容器双联电容器变面积的电容传感器变面积的电容传感器当顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动当顺

8、时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A A，电，电容量容量C C也就越来越小，谐振频率也随之改变。也就越来越小，谐振频率也随之改变。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器（3 3）、圆柱型电容传感器）、圆柱型电容传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器10002DDlnLC LxCDDlnxLC1201001 当内筒上移当内筒上移x x时，内时，内外筒间的电容外筒间的电容C C1 1为：为：D1D0LxL CC0 x第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器1CBld2d

9、12xCACACBCBACCC11221ddbxCA1211ddxlbCB3 3、变介质型电容式传感器、变介质型电容式传感器(1)(1)单组式平板线位移变介质型单组式平板线位移变介质型2110ddblC第三章第三章 电容式传感器电容式传感器电容变化量与电介质电容变化量与电介质移动量移动量 x x 呈线性关系呈线性关系 121212100ddlxCCCMlxCC0第三章第三章 电容式传感器电容式传感器(2) (2) 并联柱面结构并联柱面结构 用于测量液位高低。设被用于测量液位高低。设被测介质的介电常数为测介质的介电常数为1，液面，液面高度为高度为h, 变换器总高度为变换器总高度为H，内筒外径为内

10、筒外径为d，外筒内径为，外筒内径为D。dDnHC120第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011电容增量正比于被测液位高度电容增量正比于被测液位高度h。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器返回(3) (3) 并联平面板结构并联平面板结构axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111电容增量正比于被测液位高度电容增量正比于被测液位高度x。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图第三章

11、第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器图示为一种常用的测量厚度结构。Sxdccc10101021)(111第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dAC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK00ddACggd/d0100ddCC第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dAC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型（2 2）角位移型）角位移型（3 3）圆柱型）圆柱型axCC00CCL CC0 x第三章第三章 电容式传感器电容式传感器d

12、AC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型（2 2）角位移型）角位移型（3 3）圆柱型）圆柱型3 3、变介质型电容式传感器、变介质型电容式传感器(1)(1)单组式平板线位移变介质型单组式平板线位移变介质型(2)(2)并联柱面、平面板结构并联柱面、平面板结构第三章第三章 电容式传感器电容式传感器二、差动式电容传感器二、差动式电容传感器1 1、变面积型差动电容传感器、变面积型差动电容传感器（1 1）平面板结构直线位移型）平面板结构直线位移型位移位移x x4 a定极板定极板动极板动极板2C1C

13、动态时：动态时：dabCCCx0210，静态时：静态时： axCxadbxCaxCxadbxC1102011 1、变面积型差动电容传感器、变面积型差动电容传感器（1 1）平面板结构直线位移型）平面板结构直线位移型第三章第三章 电容式传感器电容式传感器（2 2）圆柱面结构直线位移型）圆柱面结构直线位移型lr2R2x位移 xC1 xC2rRlCCCxln20021，静态时：静态时：动态时：动态时： lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201第三章第三章 电容式传感器电容式传感器（3 3）平面扇形变面积角位移结构）平面扇形变面积角位移结构 0002220002211212CrRdC

14、CrRdC0220212rRdCCC静态时：静态时：动态时：动态时：第三章第三章 电容式传感器电容式传感器2 2、变变极距极距型型差动差动电容传感器电容传感器定片定片动片动片0d0d1C2Cd位移动态时：动态时：00210dACCCd，静态时：静态时：两极板对应的面积为两极板对应的面积为A A。dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111第三章第三章 电容式传感器电容式传感器变极距（变极距（d）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变极距（变极距（d）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变面积（变面积

15、（A）型）型 变面积（变面积（A）型）型 变介电常数型变介电常数型 变介电常数型变介电常数型 变介电常数型变介电常数型 变介电常数型变介电常数型 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器三、电容传感器输出特性三、电容传感器输出特性差动式变极距平板电容器差动式变极距平板电容器001/11ddCC在在d/d01时时, 按级数展开得按级数展开得 30200011ddddddCC002/11ddCC 30200021ddddddCC总变化量：总变化量： 503000212ddddddCCCC第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 503000212ddddddCCCC电容值相对变化量为电容值相对变化量为

16、 40200012ddddddCC略去高次项，则略去高次项，则C/C0与与d/d0近似成线性关系：近似成线性关系： 002ddCC传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：002/ddCCK第三章第三章 电容式传感器电容式传感器只取线性项和三次项只取线性项和三次项, 得到相对非线性误差：得到相对非线性误差： 40200012ddddddCC%100%100|/|2|)/( |220030ddddddr差动型：差动型：灵敏度为：灵敏度为：002/ddCCK第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 单一平行板变极距电容传感器单一平行板变极距电容传感器0011ddCC当当|d/d0|1时，按级数展开：时，按

17、级数展开： 30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020ddddddr灵敏度：灵敏度：001/ddCCK第三章第三章 电容式传感器电容式传感器002/ddCCK %10020 ddr差动连接：差动连接：00ddCC001/ddCCK%1000020ddddddr）（单边连接单边连接第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 灵敏度是单边的灵敏度是单边的2倍倍； 非线性误差也大大减小了非线性误差也大大减小了；由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。变化所造成的误差。第三章第三章

18、 电容式传感器电容式传感器四、电容传感器等效电路四、电容传感器等效电路L 包括电容器本身的电感和引线电缆的电感；包括电容器本身的电感和引线电缆的电感；Rs 由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；Rp 是极板间泄漏电阻和极板间的介质损耗。是极板间泄漏电阻和极板间的介质损耗。CP 寄生电容寄生电容低频时影响较大，低频时影响较大，随频率增高容抗随频率增高容抗减小，其影响就减小，其影响就减弱。减弱。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器低频等效电路低频等效电路 u传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和Rs的影响可忽略的影响可忽略 u等效电容等效

19、电容Ce=C+Cp， u等效电阻等效电阻ReRp RP（a）Ce第三章第三章 电容式传感器电容式传感器高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L L和和RsRs的影响不可忽略，漏电的影的影响不可忽略，漏电的影响响RpRp可忽略可忽略 ，其中，其中CeCe=C+Cp=C+Cp，而，而ReRe RsRs RLCe（b）第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第二节第二节 误差的因素及改进措施误差的因素及改进措施 一、温度对电容器结构尺寸的影响一、温度对电容器结构尺寸的影响二、寄生电容与分布电容的影响二、寄生电容与分布电容的影响三、外界干扰的影响三、外界干扰的影响四、温度对介质的介电

20、常数的影响四、温度对介质的介电常数的影响五、漏电阻的影响五、漏电阻的影响第三章第三章 电容式传感器电容式传感器、温度对电容器结构尺寸的影响、温度对电容器结构尺寸的影响0d1h2hL1h：初始时绝缘材料的厚度：初始时绝缘材料的厚度 2h：初始时固定极板的厚度：初始时固定极板的厚度 0d：初始时空气隙的厚度：初始时空气隙的厚度 L：初始时两极板的总间隙：初始时两极板的总间隙 初始电容为：初始电容为：rhdAC1000第三章第三章 电容式传感器电容式传感器210hhLd环境温度变化后环境温度变化后 气隙厚度变为：气隙厚度变为： tththtLdhhLt221111121,hhL 分别为传感器各零件所

21、用材分别为传感器各零件所用材料的温度线膨胀系数。料的温度线膨胀系数。 rhdAC1000第三章第三章 电容式传感器电容式传感器rhttthdAC1101电容量相对误差为：电容量相对误差为：thhLdtLhhdddCCChhLLhhtttt2211022110000t温度补偿温度补偿02102211Lhhhhdhh第三章第三章 电容式传感器电容式传感器02102211hhdhhLhLh1122110LhLhhhd0d21hhL， 在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙容量决定间隙 ，然后根据材料的线膨胀系数选择材，然后根据材料的线膨胀系数

22、选择材料的料的 合适尺寸，满足温度补偿条件的合适尺寸，满足温度补偿条件的要求，达到温度补偿的作用。要求，达到温度补偿的作用。02102211Lhhhhdhh第三章第三章 电容式传感器电容式传感器二、寄生电容与分布电容的影响二、寄生电容与分布电容的影响 寄生电容寄生电容：电容极板与周围物体（各种组建甚至：电容极板与周围物体（各种组建甚至人体）所产生的电容人体）所产生的电容 分布电容：分布电容：电容传感器引线电缆引起的电容电容传感器引线电缆引起的电容 (l2m导线可达导线可达800pF) 。 干扰电容：干扰电容：寄生电容与分布电容统称。寄生电容与分布电容统称。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器

23、 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距( (平板式间距为平板式间距为0.20.20.5mm0.5mm，圆筒式间距为，圆筒式间距为0.15mm)0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或或工作长度工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在般电容值变化在 1010-3-310103 3 pF pF范围内，相对值变化范围内，相对值变化在在 1010-6-61 1范围内。范围内。 （2 2）注意传感

24、器的接地和屏蔽；）注意传感器的接地和屏蔽； 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 （3 3）集成化）集成化: :将传感器与测量电路本身或其前置将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。 （4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术: :传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆. . （5 5）整体屏蔽法）整体屏蔽法: :将电容式传感器和所采用的转将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正换电路、传输电缆

25、等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。干扰。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器三、外界干扰的影响三、外界干扰的影响 1、屏蔽和接地。屏蔽和接地。用良导体作传感器壳体，将传用良导体作传感器壳体，将传感器元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线感器元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘（即屏蔽电缆），金属网可靠接地；用双层彼此绝缘（即屏蔽电缆），金属网可靠接地；用双层屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠接地；传感器屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠接地；传感器与测量电路前置级一起装在较好的屏蔽壳体内

26、并可靠与测量电路前置级一起装在较好的屏蔽壳体内并可靠接地等等。接地等等。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 3、减小导线间的分布电容的静电感应，因此减小导线间的分布电容的静电感应，因此导线与导线之间远离，距离尽可能短，最好成直导线与导线之间远离，距离尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用屏蔽电缆线。角排列，必须平行排列时可采用屏蔽电缆线。 4、减少接地点，尽可能一点接地，地线要用减少接地点，尽可能一点接地，地线要用较粗的良导体或宽印制线。较粗的良导体或宽印制线。 5、尽量采用尽量采用差动式电容传差动式电容传感器，可提高传感器，可提高传感器灵敏

27、度，感器灵敏度，减小非线性误差减小非线性误差。 2、增加原始电容值，以降低容抗，减小被干增加原始电容值，以降低容抗，减小被干扰电容淹没的危险。扰电容淹没的危险。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器四、温度对介质的介电常数的影响四、温度对介质的介电常数的影响原因原因：某些介质的介电常数也存在温度系数；某些介质的介电常数也存在温度系数；消除方法消除方法：采用介电常数温度系数为零的空气或云采用介电常数温度系数为零的空气或云母作为介质，或在测量电路中进行温度补偿。但要母作为介质，或在测量电路中进行温度补偿。但要完全补偿是困难的。完全补偿是困难的。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器五、漏电阻的影响

28、五、漏电阻的影响 电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低时，容抗更高。如果两极板之间的漏电阻与此容抗时，容抗更高。如果两极板之间的漏电阻与此容抗相接近时，就必须考虑分路作用对系统灵敏度的影相接近时，就必须考虑分路作用对系统灵敏度的影响。它将使传感器的灵敏度下降。响。它将使传感器的灵敏度下降。 消除方法消除方法：选用绝缘性能很好的陶瓷、石英、选用绝缘性能很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作为两极板之间的支架，可大大聚四氟乙烯等材料作为两极板之间的支架，可大大提高两极板之间的漏电阻。当然，适当的提高激励提高两极板之间的漏电阻。当然，适当的提高激励电源的频率

29、也可以降低对材料绝缘性能的要求。电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三节第三节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路一、调频电路一、调频电路二、运算放大器式电路二、运算放大器式电路三、二极管双三、二极管双T型交流电桥型交流电桥四、脉冲宽度调制电路四、脉冲宽度调制电路 电容式电容式传感器传感器测量电路测量电路被测量被测量电容电容第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一、调频电路一、调频电路 调频测量电路把调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分路的一部分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器当输入量

30、导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。的振荡频率就发生变化。C Cx xf f振荡器振荡器u uf f限幅限幅放大器放大器u uL L鉴频器鉴频器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器调频振荡器的振荡频率为调频振荡器的振荡频率为LCf21L：振荡回路的电感：振荡回路的电感C：振荡回路的总电容，：振荡回路的总电容，C=C1+C2+CxC1:振荡回路固有电容振荡回路固有电容, C2:传感器引线分布电容传感器引线分布电容, Cx=C0C:传感器的电容。传感器的电容。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器被测信号不为被测信号不为0时，时，C0ffLCCCCf0021)(21 电路具有较高

31、的灵敏度，电路具有较高的灵敏度， 可以测量高至可以测量高至0.01m级级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量， 并与计算机通讯并与计算机通讯. 抗干扰能力强，抗干扰能力强， 可以发送、可以发送、 接收，接收， 以达到遥测遥以达到遥测遥控的目的。控的目的。 被测信号为被测信号为0时，时，C=0LCCCf)(210210第三章第三章 电容式传感器电容式传感器二、运算放大器式电路二、运算放大器式电路iiiCjIUxiioCCUUxxCjIU0 xiIICxCiUiU0IiIxI适合那种电容传感器适合那种电容传感器xiioCCUU第三章第三章 电容

32、式传感器电容式传感器传感器是平板电容，则传感器是平板电容，则Cx=A/ddACUUiio输出电压与极板间距离输出电压与极板间距离d成线性关系成线性关系从原理上克服从原理上克服变极距型变极距型电容式传感器的非线性电容式传感器的非线性xiioCCUU第三章第三章 电容式传感器电容式传感器三、二极管双三、二极管双T型交流电桥型交流电桥高频对称方波高频对称方波EUD1、D2为特性相同二极管为特性相同二极管R1=R2=RC1、C2传感器的两差动电容传感器的两差动电容没有输入时，没有输入时，C1=C20-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+第三章第三章 电容式传感器电容式传感器C1工作形式：工

33、作形式：正半周时，正半周时，D1导通、导通、D2截止，截止，C1充电，充电，负半周时，负半周时，C1电荷通过电荷通过R1，RL放电，放电，RL电流为电流为I1。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+UE(a)C2C1RLR1R2i1i2+第三章第三章 电容式传感器电容式传感器C2工作形式：工作形式：负半周时，负半周时，D2导通、导通、D1截止，截止，C2充电充电正半周时，正半周时， C2通过通过R2，RL放电，放电，RL电流为电流为I2 。0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+(b)UE+i2 R1R2C1C2RL+i1 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 当输

34、入为正半周时，二极管当输入为正半周时，二极管D1导通、导通、D2截止，于截止，于是电容是电容C C1 1充电，在随后负半周出现时，电容充电，在随后负半周出现时，电容C C1 1上的电荷上的电荷通过电阻通过电阻R R1 1，负载电阻，负载电阻R RL L放电，流过放电，流过R RL L的电流为的电流为I I1 1。 当输入为负半周时，当输入为负半周时，D2导通、导通、D1截止，则电容截止，则电容C C2 2充电，在随后出现正半周时，充电，在随后出现正半周时， C C2 2通过电阻通过电阻R R2 2，负载电，负载电阻阻R RL L放电，流过放电，流过R RL L的电流为的电流为I I2 2 。

35、C C1 1= =C C2 2，则电流，则电流I I1 1= =I I2 2，且方向相反，在一个周期内，且方向相反，在一个周期内流过流过R RL L的平均电流为零。的平均电流为零。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 若若C1C2, I1I2, 此时在一个周期内通过此时在一个周期内通过RL上上的平均电流不为零，的平均电流不为零， 输出电压在一个周期内平均输出电压在一个周期内平均值为（值为（ f为电源频率）为电源频率） )()()2()()(1212210CCfURRRRRRdtRtitiTRIUELLLLTLLo当当RL已知，且令已知，且令)()()2(2常数MRRRRRRLLL)(21C

36、CMfUUEo第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；度稳定；双双T T电路的特点：电路的特点：)(21CCMfUUEo第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高电源周期、幅值直接影响灵敏度

37、，要求它们高度稳定；度稳定； 输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，克服了电容式，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；传感器高内阻的缺点；双双T T电路的特点：电路的特点：)()()2(2常数MRRRRRRLLL第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；度稳定； 输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，克服了电容式，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻

38、的缺点；传感器高内阻的缺点； 适用于适用于具有线性特性具有线性特性的的单组式单组式和和差动式差动式电容式电容式传感器；传感器；双双T T电路的特点：电路的特点：)(21CCMfUUEo第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；度稳定； 输出阻抗为输出阻抗为R R，而与电容无关，克服了电容式，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；传感器高内阻的缺点； 适用于适用于

39、具有线性特性具有线性特性的的单组式单组式和和差动式差动式电容式电容式传感器；传感器； 对于对于1 k1 k的负载电阻上升时间为的负载电阻上升时间为20s20s左右，左右， 故可用来测量高速的机械运动。故可用来测量高速的机械运动。 双双T T电路的特点：电路的特点：第三章第三章 电容式传感器电容式传感器四、脉冲宽度调制电路四、脉冲宽度调制电路 C Cx x1 1、C Cx x2 2为差动电容传感器；为差动电容传感器；电阻电阻R R1 1= R= R2 2；A A1 1、A A2 2为比较器为比较器R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+QQRS双稳态双稳态触发器触发器A2A1第三章第三章

40、电容式传感器电容式传感器 当双稳态触发器处于某一状态，当双稳态触发器处于某一状态，Q Q=1=1， ，A A点高电位点高电位通过通过R R1 1对对C Cx x1 1充电，时间常数为充电，时间常数为1= 1= R R1 1 C Cx x1 1 ，直至直至C C点电位高于点电位高于参考电位参考电位U Ur r ，比较器比较器A A1 1 输出正跳变信号。输出正跳变信号。与此同时，因与此同时，因为为 ，电容器，电容器C Cx x2 2上已充电流通过上已充电流通过D2D2迅速放电至零电平。迅速放电至零电平。 A A1 1正跳变信号激励触发器翻转，使正跳变信号激励触发器翻转，使Q Q=0=0，0Q1Q

41、0QR2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+QQRS双稳态双稳态触发器触发器A2A1第三章第三章 电容式传感器电容式传感器Q Q=0=0， ，于是于是A A点为低电位，点为低电位， C Cx x1 1通过通过D1D1迅速放电，迅速放电，而而B B点高电位通过点高电位通过R R2 2对对C Cx x2 2充电，时间常数为充电，时间常数为2 2= = R R2 2 C Cx x2 2 ，直至直至D D点电位高于参考电位点电位高于参考电位U Ur r，比较器比较器A A2 2 输出正跳变信输出正跳变信号，使触发器发生翻转号，使触发器发生翻转, , Q Q=1=11Q0QR2D1D2ABR1C1

42、C2U0FUrG+-+QQRS双稳态双稳态触发器触发器A2A1第三章第三章 电容式传感器电容式传感器R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+QQRS双稳态双稳态触发器触发器A2A1第三章第三章 电容式传感器电容式传感器UFU Ur rU Ur r-U-U1 1U U1 1T10U U1 1U U1 1返回 当当C Cx x1 1C Cx x2 2，且且C Cx x1 1C Cx x2 2，则则1 1= = R R1 1 C Cx x1 1 2 2= = R R2 2 C Cx x2 221211TTTTUUUUBAoU1：触发器输出高电平；触发器输出高电平；T1、T2：Cx1、Cx2充电

43、至充电至Ur时所需时间时所需时间一个周期之内的一个周期之内的U Uo o输出为：输出为： UFU Ur rU Ur r-U-U1 1U U1 1T1021211TTTTUUUUBAo第三章第三章 电容式传感器电容式传感器由电路知识可知由电路知识可知 rxrxUUUnCRTUUUnCRT11222111111112121UCCCCUxxxxo适合哪种电容传感器适合哪种电容传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器变极板距离的情况下变极板距离的情况下差动时，即差动时，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有则有 10UddUo11212UddddUo变面积电容传感器变面积电容传感器12121U

44、AAAAUo1UAAUo差动电容差动电容Cx1Cx2 有有 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器优优 点：点：能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性；上的线性特性；采用直流电源，其电压稳定度高；采用直流电源，其电压稳定度高；不存在稳频、波形纯度的要求；不存在稳频、波形纯度的要求；不需要相敏检波与解调等；不需要相敏检波与解调等；经低通滤波器可输出较大的直流电压。经低通滤波器可输出较大的直流电压。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一、调频电路一、调频电路ffLCCCCf0021)(21二、运算放大器式电路二、运算放大器式电路dACUC

45、CUUiixiio适用于适用于变极距型变极距型电容式传感器电容式传感器测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器三、二极管双三、二极管双T型交流电桥型交流电桥)(21CCMfUUEo适用适用具有线性特性具有线性特性的的单组式单组式和和差动式差动式电容式传感器；电容式传感器； C1工作形式：工作形式：正半周时，正半周时，D1导通、导通、D2截止，截止，C1充电，充电，负半周，负半周，C1电荷通过电荷通过R1，RL放电，放电，RL电流为电流为I1。C2工作形式：工作形式：负半周时，负半周时，D2导通、导通、D1截止，截止，C2充电充电正半周时，正半周时， C2通过通过R2，RL

46、放电，放电，RL电流为电流为I2 。测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器四、脉冲宽度调制电路四、脉冲宽度调制电路 UFU Ur rU Ur r-U-U1 1U U1 1T1021211TTTTUUUUBAo12121UCCCCxxxx适用于任何差动式电适用于任何差动式电容式传感器，具有理容式传感器，具有理论上的线性特性；论上的线性特性；测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器u电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴

47、系回转精度、加速度等机其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。械量。u变极距型变极距型: :适用于较小位移的测量，量程适用于较小位移的测量，量程在在0.01m0.01m至至数百微米数百微米、精度可达精度可达0.01m0.01m 、分辨率可、分辨率可达达0.001m0.001m。u变面积型变面积型: :能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于于0.5%0.5%、分辨率为、分辨率为0.01m0.01m 。第四节第四节 电容传感器的应用举例电容传感器的应用举例角度和角位移角度和角位移:动态范围为动态范围为 0.1至几十度，分辨率约至

48、几十度，分辨率约0.1，零位，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。和摆式加速度计。 测振幅测振幅: 可测峰值为可测峰值为0 50m、频率为、频率为10 2kHz，灵敏度高于，灵敏度高于0.01m ，非线性误差小于，非线性误差小于0.05m。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器1、电容式压力传感器、电容式压力传感器 2、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器 3、电容测厚仪、电容测厚仪4、电容式荷重传感器、电容式荷重传感器5、电容式液位计、电容式液位计6、电容式接近开关、电容式接近开关7、电容式转速传感器、

49、电容式转速传感器8、电容式键盘、电容式键盘9、电容式指纹传感器、电容式指纹传感器10、电容式湿度传感器、电容式湿度传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器1、电容式压力传感器、电容式压力传感器 PPP第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 11高压侧进气口高压侧进气口 22低压侧进气口低压侧进气口 33过滤片过滤片 44空腔空腔 55柔性不锈钢波纹隔柔性不锈钢波纹隔离膜片离膜片 66导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 88镀金凹形电极镀金凹形电极 99弹性平膜片

50、弹性平膜片 1010 腔腔第三章第三章 电容式传感器电容式传感器各种电容式压力变送器外形各种电容式压力变送器外形第三章第三章 电容式传感器电容式传感器各种电容式压力变送器外形各种电容式压力变送器外形第三章第三章 电容式传感器电容式传感器2 2、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器 1C2Cam1C2C第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器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 装有传感装有传感器的假器的假人人气囊气囊 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值

51、时，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰微处理器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胀，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。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器3 3、电容测厚仪、电容测厚仪CBRR0C1C2C1L2L第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器4 4、 电容式荷重传感器电容式荷重传感器F绝缘材料绝缘材料动极板动极板定极板定极板极板支架

52、极板支架弹性体弹性体第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 当被测液体的页面上升时，引当被测液体的页面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容起棒状电极与导电液体之间的电容变化。变化。 液位限位传感器液位限位传感器与与液位变送器液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。输出为高电平的型号。5 5、电容式液位计（变介质型）、电容式液位计（变介质型）第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第

53、三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器振荡电路振荡电路感应电极感应电极被测物体被测物体6 6、电容式接近开关、电容式接近开关 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介介电常数发生变化，电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化发生变化. .由此便可由此便可控制开关的接通和关断控制开关的接通和关断; ;接近开关接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体的检测物体，并不限于

54、金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。或粉状物体。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具

55、作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当“A”A”号传号传感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；当路，从而使工作台向右运动；当“B” B” 号传感器有输出信号时，号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。工程中的一个应用工程中的一个应用第三章第三章 电容式传感器电容式传感器7

56、7、电容式转速传感器、电容式转速传感器 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器8 8、电容式键盘、电容式键盘 常规的键盘有机械常规的键盘有机械按键和电容按键两种。按键和电容按键两种。 电容式键盘电容式键盘是基于是基于电容式开关电容式开关的键盘，原的键盘，原理是通过按键改变电极理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。式的，磨损率极小。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器9 9、电容式指纹传感器、电容式指纹传感器u指纹识别所需电容传感器包含

57、一个大约有数万个金属指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列指放在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就构成了皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器实例：指纹识别传感器实例：指纹识别传感器图为IB

58、M ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器10、电容式湿度传感器 用高分子薄膜电容制成的，常用的有聚苯乙烯、聚酰亚胺、用高分子薄膜电容制成的，常用的有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。HM1500湿度传感器 当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。使其电

59、容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 湿敏电容的主要优点是：湿敏电容的主要优点是：灵敏度高灵敏度高产品互换性好产品互换性好响应速度快响应速度快湿度的滞后量小湿度的滞后量小便于制造便于制造容易实现小型化和集成化容易实现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻要低一些其精度一般比湿敏电阻要低一些第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜 第三章第三章 电容式传感器电容式传感器第三章第三章 电容式传感器电容式传感器松下电器：松下电器：家用皮肤水份计家用皮肤水份计 该产品采用小型电容传感器，可在约该产品采用小型电容传感器，可在约3秒钟

60、内测量人秒钟内测量人体皮肤水份比率。体皮肤水份比率。 用户只须将由两个电极构成的小型电容传感器放在皮肤用户只须将由两个电极构成的小型电容传感器放在皮肤上约上约3秒钟，便可以测量出角质层的水份比率。该产品能够秒钟，便可以测量出角质层的水份比率。该产品能够以以0.1%为单位显示所测量含水率，同时在为单位显示所测量含水率，同时在“干燥肌肤干燥肌肤”到到“湿润肌肤湿润肌肤”之间分之间分5档进行显示。档进行显示。 另外，松下还通过减小传感器及零件的体积实现了高另外，松下还通过减小传感器及零件的体积实现了高密度安装，使得该产品机身体积减小，机身长密度安装，使得该产品机身体积减小，机身长143mm。第三章第

61、三章 电容式传感器电容式传感器本章总结本章总结1 1、变极距型电容传感器变极距型电容传感器2 2、变面积型电容传感器变面积型电容传感器3 3、变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器4 4、变面积型差动电容传感器变面积型差动电容传感器5 5、变极距型差动电容传感器变极距型差动电容传感器6 6、电容传感器输出特性电容传感器输出特性7 7、运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路8 8、二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥9 9、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dAC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK00ddACggd/

62、d0100ddCC单组式总结单组式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dAC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型（2 2）角位移型）角位移型（3 3）圆柱型）圆柱型axCC00CCL CC0 x单组式总结单组式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器dAC 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 001/ddCCK2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型（2 2）角位移型）角位移型（3 3）圆柱型）圆柱型3 3、变介质型电容式传感器

63、、变介质型电容式传感器(1)(1)单组式平板线位移变介质型单组式平板线位移变介质型(2)(2)并联柱面、平面板结构并联柱面、平面板结构单组式总结单组式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器 axCxadbxCaxCxadbxC1102011 1、变面积型差动电容传感器、变面积型差动电容传感器（1 1）平面板结构直线位移型）平面板结构直线位移型（2 2）圆柱面结构直线位移型）圆柱面结构直线位移型 lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201差动式总结差动式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器（3 3）平面扇形变面积角位移结构）平面扇形变面积角位移结构 000222000

64、2211212CrRdCCrRdC2 2、变变极距极距型型差动差动电容传感器电容传感器dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111差动式总结差动式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器002/ddCCK %10020 ddr差动连接：差动连接：00ddCC001/ddCCK%1000020ddddddr）（单边连接单边连接灵敏度提高；灵敏度提高； 非线性误差减小非线性误差减小；具有温度补偿作用具有温度补偿作用差动式总结差动式总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器一、调频电路一、调频电路ffLCCCCf0021)(21二、运算放大器式电路二、运算放

65、大器式电路dACUCCUUiixiio适用于适用于变极距型变极距型电容式传感器电容式传感器测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器三、二极管双三、二极管双T型交流电桥型交流电桥)(21CCMfUUEo适用适用具有线性特性具有线性特性的的单组式单组式和和差动式差动式电容式传感器；电容式传感器； C1工作形式：工作形式：正半周时，正半周时，D1导通、导通、D2截止，截止，C1充电，充电，负半周，负半周，C1电荷通过电荷通过R1，RL放电，放电，RL电流为电流为I1。C2工作形式：工作形式：负半周时，负半周时，D2导通、导通、D1截止，截止，C2充电充电正半周时，正半周时， C

66、2通过通过R2，RL放电，放电，RL电流为电流为I2 。测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器四、脉冲宽度调制电路四、脉冲宽度调制电路 UFU Ur rU Ur r-U-U1 1U U1 1T1021211TTTTUUUUBAo12121UCCCCxxxx适用于任何差动式电适用于任何差动式电容式传感器，具有理容式传感器，具有理论上的线性特性；论上的线性特性；测量电路总结测量电路总结第三章第三章 电容式传感器电容式传感器习题习题3.1 3.1 推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。式电容传感器相比较。3.2 3.2 根据电容传感器的工作原理说明它的分类，根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？电容传感器能够测量哪些物理参量？|3.3 3.3 简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理及特点。作原理及特点。|3.4 3.4 推导直线位移变面积、角位移变面积电容传推导直线位移变面积、角位移变面积电容传感器原理。感器原理。第三章第三章 电容式传