第四章 电容式传感器及其信号调理
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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
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电容式传感器ppt课件
第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，液体浸没电极的 高度就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成 线性关系。
若被测介质的介电常数 x 已知， 测出输出电容C的值，可求出待测材 料的厚度x。若厚度x已知，测出输出 电容C的值，也可求出待测材料的介 电常数x。因此，可将此传感器用作 介电常数x测量仪。
图4.9 测厚仪
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，液体浸没电极的 高度就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成 线性关系。
若被测介质的介电常数 x 已知， 测出输出电容C的值，可求出待测材 料的厚度x。若厚度x已知，测出输出 电容C的值，也可求出待测材料的介 电常数x。因此，可将此传感器用作 介电常数x测量仪。
图4.9 测厚仪
3电容式传感器的等效电路
UO ZF CX U ZX CF
2 0 r L 1 2.5 CF pF 4.828pF R1 6.0 1.8ln ln 4.5 r
Cx
r ( L x)
R1 1.8ln r
(4.828 0.193x)pF
a d x S
b
动极 板
x
定极 板
电容式角位移传感器原理图
变面积型电容传感器原理图
4.2.3
变介质式电容式传感器
面积S与介电常数的位置是等价的，因此当介电常数的
变化量为△ε时，电容量的变化量为
S C C C0 d0
灵敏度为
C S d 0
变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测 量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺 织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。
第四章 电容式传感器及其信号调理
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 电容式传感器的工作原理 电容式传感器的传感特性 电容式传感器的等效电路 电容式传感器的信号调理 电容式传感器的典型应用举例
4.1 电容式传感器的工作原理
4.1.1 传感原理：
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，
如果不考虑边缘效应，其电容量为
Ce
C Ce 1 2 L(C C p )
应保证激励频率的稳定性。在较高激励频率下使用电
容传感器时，每当改变激励频率或者更换传输电线时
都必须对测量系统重新进行标定。
4.4
电容式传感器的信号调理
4.4.1 交流电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂 为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电 容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。
2 0 r L 1 2.5 CF pF 4.828pF R1 6.0 1.8ln ln 4.5 r
Cx
r ( L x)
R1 1.8ln r
(4.828 0.193x)pF
a d x S
b
动极 板
x
定极 板
电容式角位移传感器原理图
变面积型电容传感器原理图
4.2.3
变介质式电容式传感器
面积S与介电常数的位置是等价的，因此当介电常数的
变化量为△ε时，电容量的变化量为
S C C C0 d0
灵敏度为
C S d 0
变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测 量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺 织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。
第四章 电容式传感器及其信号调理
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 电容式传感器的工作原理 电容式传感器的传感特性 电容式传感器的等效电路 电容式传感器的信号调理 电容式传感器的典型应用举例
4.1 电容式传感器的工作原理
4.1.1 传感原理：
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，
如果不考虑边缘效应，其电容量为
Ce
C Ce 1 2 L(C C p )
应保证激励频率的稳定性。在较高激励频率下使用电
容传感器时，每当改变激励频率或者更换传输电线时
都必须对测量系统重新进行标定。
4.4
电容式传感器的信号调理
4.4.1 交流电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂 为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电 容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。
Chap4 电容传感器
+ + +
+
+
+
（3）介质变化型
‹#›
二、工作原理 1. 变极距（δ）型电容传感器
S C0 0
C
0
S 0
C0 C0
0
C 2 3 [1 ( ) ( ) ] C0 0 0 0 0
第一节 电容传感器工作原理
一、概述 1．优点
测量范围大，相对变化量可大于100％;
灵敏度高，分辨率高；
动态响应时间短； 机械损失小；
结构简单，适应性强，可非接触测量。
2．缺点
寄生电容影响较大，降低了测量灵敏度； 与传感器联接的线路较复杂。
‹#›
3．变换原理
将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
‹#›
3．电容式液位计
2 hx Cx ln(d 2 / d 1 )
电容式液位计探头结构图
‹#›
1．检测角位移、液位深度、非金属薄片厚度、电缆偏心度等 参数，分别采用什么类型的电容传感器？ 2．电容传感器测量电路的主要有哪几种类型？ 3．电容传感器差动脉冲调宽电路有哪些优点？
4．试分析变d型差动脉冲调宽电路的工作原理？
U 0
C1C3 C2 (C x C ) U (C1 C2 )(C3 C x C )
U 0
C2 C U (C1 C2 )(C3 C x )
‹#›
2. 差动桥
U U U 0 C2 Z2 U 2U Z1 Z 2
设： R R1 R2
C1 C2 UO UH C1 C2
+
+
+
（3）介质变化型
‹#›
二、工作原理 1. 变极距（δ）型电容传感器
S C0 0
C
0
S 0
C0 C0
0
C 2 3 [1 ( ) ( ) ] C0 0 0 0 0
第一节 电容传感器工作原理
一、概述 1．优点
测量范围大，相对变化量可大于100％;
灵敏度高，分辨率高；
动态响应时间短； 机械损失小；
结构简单，适应性强，可非接触测量。
2．缺点
寄生电容影响较大，降低了测量灵敏度； 与传感器联接的线路较复杂。
‹#›
3．变换原理
将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
‹#›
3．电容式液位计
2 hx Cx ln(d 2 / d 1 )
电容式液位计探头结构图
‹#›
1．检测角位移、液位深度、非金属薄片厚度、电缆偏心度等 参数，分别采用什么类型的电容传感器？ 2．电容传感器测量电路的主要有哪几种类型？ 3．电容传感器差动脉冲调宽电路有哪些优点？
4．试分析变d型差动脉冲调宽电路的工作原理？
U 0
C1C3 C2 (C x C ) U (C1 C2 )(C3 C x C )
U 0
C2 C U (C1 C2 )(C3 C x )
‹#›
2. 差动桥
U U U 0 C2 Z2 U 2U Z1 Z 2
设： R R1 R2
C1 C2 UO UH C1 C2
《传感器技术与应用》第四章 电容式传感器ppt课件
4.1.3 变介质式电容传感器
介量变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被丈量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。
主要用来丈量两极板之间的介质的某些 参数的变化，如介质厚度、介质湿度、 液位等。
介量变化型电容传感器构造
1.位移型
介量变化型电容传感器构造
2.液位型
结论
传感器的灵敏度为常数，电容C实际上与 液面h成线性关系，只需测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
任务过程〔2〕
当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由 于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生 交变电场，被检测物体就会遭到静电感应，而 产生极化景象，正负电荷分别，使检测极板的 对地等效电容量增大，使LC振荡电路的Q值降 低。对能量损耗较大的介质〔如各种含水有机 物〕，它在高频交变极化过程中是需求耗费一 定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必 然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减 小。当被测物体接近到一定间隔时，振荡器的 Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压 U0的大小，可大致断定被测物接近的程度。
并能与计算机通讯，抗干扰才干强。
4.2电容式传感器的丈量电路
5.谐振电路: 振荡器提供稳定的高频信号经 过L1、C1回路选频，再经过电感耦合到LCx 谐振回路。当传感器电容Cx发生变化时，那 么引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会 使整流器的电流发生变化。变化的电流再经 放大器放大后就可经过仪表显示被丈量的变 化。
4.4.1 电容式压力传感器
电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性 元件的位移变化转变为电容的变化来实现丈量 的。
4.4.2 电容式加速度传感器
电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为 电容量变化，其构造表示图如图4-19所示
第四章 信号调理与处理
调幅的实现
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
调幅信号的解调方法
1、同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信 号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就
是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的 是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当 信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号 电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是
随信号而变化的疏密不等的等幅波。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
调幅信号的解调方法
1、同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信 号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就
是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的 是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当 信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号 电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是
随信号而变化的疏密不等的等幅波。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
第四章 电容式传感器《传感器原理及应用》课件
感器可得
U0
d2 d1
d1 d2
U
E；U
0
A2 A2
A1 A1
U
E
可见差动脉冲调宽电路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。这是十分可贵的性质。在此指出： 具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由 二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。
另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，
6
4.2 电容式传感器的类型及特点
一、电容型传感器的等效电路
L
RS
A
Rp
C
B
L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；
Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C为传感器本身的电容；
Rp是极间等效漏电阻,极板间的漏电损耗和介质损耗;这部分损耗的影响通常 在低频时较大，频率高，容抗减小，影响小。
4
4.1 电容式传感器的工作原理
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,
如果不考虑边缘效应, 其电容量为
A
c A d
ε
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空 介电常数, εr为极板间介质相对介电常数;
A——两平行板所覆盖的面积;
d—两平行板之间的距离。
第四章 电容式传感器
电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和 电容)之一，利用电容器的原理，把某些非电量的变化通 过一个可变电容器转换成电容量变化的装置 ，称为电容 式传感器。电容式传感器实质上是一个具有可变参数的
电容器。
2020/7/7
1
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适 应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量 等。
电容型传感器与测量电路
4.2.2 电桥电路 电容式传感器常连接成差动结构，接人交流电桥的两个相
邻桥臂，另外两个桥臂可以是固定电阻、电容或电感，也可以 是变压器的两个次级线圈，如图4-9所示。
图4-9 电桥电路
从电桥灵敏度考虑，图4-9(a)～(c)形式的灵敏度高，图 4-9(d)～(f)形式的灵敏度相对较低。在设计和选择电桥形式 时，除了考虑电桥灵敏度外，还应考虑电桥输出电压是否 稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压之间的 相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易
4.2.3 调频电路 调频电路是将电容传感器与电容、电感元件构成振荡器的
变面积式电容传感器的灵敏度S均为常数，即输出与输 入为线性关系。但与变极距式相比，灵敏度较低，广泛用 于较大的直线位移和角位移的测量。
4.1.5 变介电常数式
变介电常数式电容传感器常用来测量介质的厚度、位置
和液位等，如图4-7所示。图4-7(a)是用来测量纸张、绝缘薄
膜等厚度的电容式传感器原理图，两平行极板固定不动，当
图4-3为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数， 初始极距为δ0，由式(4-2)可知其初始电容量C0为
C0
0 r A 0
当动极板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ时，电
容量增大ΔC，则有
1
C0
C
0 r A 0
C0
1
(
0
)2
0
当Δδ<<δ0时， 1 ( )2 ，1 则
0Байду номын сангаас
C
容式传感器比较理想的信号调理电路，如图4-8所示。图中 Cx是变极距式电容传感器，C是固定电容，u是交流电源电压， uo是输出信号电压。由运算放大器的理想条件“虚短”和 “虚断”可得
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图4-11 运算放大器电路
uo
ui
Co Cx
ui
Co
S
d
【例4-2】 现有一只0~20mm的电容式位移传感器，其结
构如图例4-2所示，已知L=25mm，R1＝6mm，R2=5.7mm， r=4.5mm，CRC构成固定电容CF，CRC随活动导杆的深入而
变化，拟采用理想运放电路，试回答：
1）要求运放输出电压与输入位移x成正比，在运放线 路中CF与Cx应如何连接?
C S 0r S
d0
d0
设动极板2位移 x ，参考方向为向 x 0 上运动，即动极板2上移，
动极板2下移，x 0。
则电容量为
1 x
C
S d
S d0 x
S 1
/ d0 x
C0
1
(
d0 x )2
d0
d0
按泰勒级数展开
C
C
C0
C0
x [1 d0
x d0
( x )2 d0
( x )3 d0
]
•它采用电荷补偿反馈环的原理，当电容传感器为差动 形式且中心值为25PF时，灵敏度最高，达200mV／PF。
•CS2001采用±2.5V双电源或+5V单电源供电，最大功 耗仅为17mW，输出电压与传感器电容呈线性关系。具 有低噪声、低漂移的优点，能在DC~17kHz的带宽内进 行高精度的测量。
图4-14 CS2001的内部电路框图
2 电容式液位计
3 电容式湿度计
传感元件由氧化铝薄膜制成，氧化铝薄膜吸水后， 电容值产生变化，故根据其电容值即可得到湿度 值。
4 电容法测厚度
图4-23 电容法测电介质材料的厚度
电容器的电容值为
C
0A
ad
d
r
C
C1
C2
2C0
x d0
4.2.2 变面积式电容式传感器
当动极板相对于定极板沿长度方向平移ΔS时，则电容 变化量为
C (S S) S S
d0
d0 d0
C
C
C0
S
d0
C
S d0
很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移 Δx呈线性关系。
a
d
x S
b
动极板 定极板
x
变面积型电容传感器原理图 电0
灵敏度
C C0 x d0
但d0过小，易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可 采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。
g 0
图 放置云母片的电容器
d0 dg
差动电容传感器:
当动极板移动时，取其电 容差值
2 x
C
C1
C2
S
d0 x
S
d0 x
C0
1
d0 ( x )2
d0
4.4 电容式传感器的信号调理
4.4.1 交流电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂 为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电 容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。 变压器电桥使用元件少、桥路内阻小，应用较为普遍。
1 变压器式交流电桥
图4-6 变压器式电桥线路方框图 图4-7 变压器式电桥等效电路图
2 紧耦合比率臂交流电桥
图4-8 紧耦合电感比率臂电桥
图4-9 紧耦合电感比率臂电桥等效电路
图4-8与图4-9电路参数之间的对应关系为
Z12 Zs Z p jL
ZZps
jM
Z12
jKL KZ12
Z p (1 K )Z12
Z13 2Zs 2(1 K )Z12
当K 1 、负载阻抗为无穷大时
4.5.2 电容传感器应用举例
1 电容式压力计
利用膜片作为弹性元件，在压力作用下，膜片变形， 以改变膜片与电容定极之间的距离，使压力计的电容 发生变化。 优点： •灵敏度高，所需的测量力很小，因此可以测量微压， 内部没有大幅度的位移元件，寿命长。 •其次它的动态响应快，可以测量快变压力。 •另外根据测量要求不同，可以制成不同结构，也可以 作到较小尺寸。 缺点：传感器与连接线路的寄生电容影响大，非线性 较严重。
第四章 电容式传感器及其信号调理
目录
4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例
4.1 电容式传感器的工作原理
4.1.1 传感原理：
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，
目录
4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例
4.5 电容式传感器的典型应用举例
4.5.1 电容传感系统的设计要点
1 绝缘与保护材料 2 消除和减小边缘效应 3 削弱寄生电容的影响 （1） 增加初始电容值。 （2） 注意接地与屏蔽。 图4-17 采用防护环削弱边缘效应 （3） 采用驱动屏蔽技术。 （4） 将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内， 省去传感器至前置级的电缆。 （5） 利用运算放大器的虚地来减小电缆电容影响。
•
Uo
•
E
C C
4 2 LC 2 2LC 1
当K 0 、负载阻抗为无穷大时
• • C 2 2LC Uo E C ( 2LC 1)2
图4-10 用紧耦合与不耦合电感作桥臂时的灵敏度
4.4.2 运算放大器式电路
由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi 很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器 的比较理想的测量电路。
2）活动导杆每深入lmm所引起的电容变化量为多少？
3）输入电压U=6v时，输山电压U0为多少？
4.4.3 脉冲宽度调制电路
图4-12 脉冲宽度调制电路原理图
推导电路中A、B两点之间的电压的直流分量为
Uo
C1 C1
C2 C2
U1
当差动电容传感器为变间隙式时
Uo
C1 C1
C2 C2
U1
d2 d2
4.2.3 变介质式电容式传感器
面积S与介电常数的位置是等价的，因此当介电常数的 变化量为△ε时，电容量的变化量为
C
C
C0
S
d0
灵敏度为
C S
d0
变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测 量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺 织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。
L0 L
r2
如果不考虑边缘效应，其电容量为
C S 0rS
dd
S ——极板面积(m2)；
图4-1 平行板电容器
d ——极板间距离(m)； 0 ——真空介电常数，0 8.851012 F/m
r ——介质的相对介电常数。
4.1.2 基本结构 电容式传感器可分为变间隙式、 变面积式和变介电 常数式三种。
图4-2 变间隙式电容传感器
r1
d0
变介质型电容式传感器
目录
4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例
4.3 电容式传感器的等效电路
其中L为传输线的电感；R为传输线的有功电阻； C为传感器的电容；Cp为A、B两端间的寄生电容； Rp为极板间等效漏电阻，它包括两个极板支架上的有 功损耗及极间介质有功损耗。
A、B两端间的等效电容为
Ce
1
C Cp
2L(C
Cp)
Ce
C
1 2L(C
Cp)
应保证激励频率的稳定性。在较高激励频率下使用电 容传感器时，每当改变激励频率或者更换传输电线时 都必须对测量系统重新进行标定。
目录
4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例
d1 d1
U1
x d0
U1
当差动电容传感器为变面积式时
Uo
C1 C1
C2 C2
U1
S1 S1
S2 S2
U1
S S0
U1
4.4.4 调频式电路
图4-13 外差式调频测量电路原理方框图
4.4.5 单片电容传感器信号调理电路CS2001
•CS2001将传感器的电容量直接转换成直流电压信号 输出，外围电路简单，使用方便。
图4-3变面积式电容传感器示意图
图4-4 变介电常数式电容传感器示意图
目录
4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例
4.2 传感特性
4.2.1 变间隙型电容传感器
当εr和S为常数，初始极距为d0时