4电容式传感器
电容式传感器原理和应用
2(d)
d0
d0
比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之 后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降 低了。
4.3 特点及应用中存在的问题
4.3.1 电容式传感器的特点
1．优点： ●温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关， 有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻， 供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游 和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
图4-1 变极距型电容传感器原理图
4.1电容式传感器的工作原理和结构
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大
Δ由C式，(则4C -3有)知C0传 感C器d的00输rA出d特C1性0(1(Cdd =0d2)d02f()d)不是(4线3)性关系，
而是如图4-2所示的曲线关系。
C d 1d
(1 )
C0 d0
d0
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
(d)2 d
100%
d
100%
d
d0
d
由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减 小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而 增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小 非线性误差，大都采用差动式结构。
第4章 电容式传感器
二、变极距型电容传 极距型电容传 感器
+ + +
+ + +
C =
ε 0εA δ
A
d
初始电容量C0为 ：
εr
C0 =
∆C，则有
ε 0ε r S
d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了∆d，电容量增大了
C0 = C = C0 + ∆C = d 0 − ∆d 1 − ∆d d0
ε 0ε r S
C C
20~100pF之间， 极板间距离在25~200µm 的范围内。最大 位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差， 大都采用差动式结构。 在差动式平板电容器中，当动极板位移∆d时，电容器 C1的间隙d1变为d0-∆d，电容器C2的间隙d2变为d0+∆d, 则
δ
(a)
(b)
(c)
(d )
δ2
(e)
δ1
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
一、变面积式电容传感器
1、角位移型
+ + +
2、平面线位移型
3、柱面线位移型. 柱面线位移型.
a d ∆x S b
∆C = C − C0 =
x
ε 0ε r ∆x ⋅ b
d
式中C0=ε0εr ab/d 为初始电容。电容相对变化量为
可见，输出电容的相对变化量∆C/C0与输入位移∆d之间成 非线性关系，当|∆d/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的 线性关系：
∆C ∆d ≈ C0 d0
传感器与检测技术-第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量 的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
4 电容式传感器 .ppt
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4.1 工作原理和结构
三、 变介质型电容传感器
图4.1.5是一种常用的结 构形式。 图中两平行电
极固定不动，极距为d0， 相对介电常数为εr2的电
介质以不同深度插入电容 器中，从而改变两种介质 的极板覆盖面积。
L0 L
r2
r1
d0
图4.1.5 变介质型电容式传感器
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4.1 工作原理和结构
二、 变面积型电容传感器
b
a d
x S
图4.1.3是变面积型电容传感 器原理结构示意图。通过动极 板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而得到电容量的 变化。
x
C0
0rab
d
图4.1.3 变面积型电容传感器原理图
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4.1 工作原理和结构
• 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时 极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为 dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为 Δd/(d1+dg/εg)，由于εg=7>1故 (d1+dg/εg)<(d1+dg)=d0，则对同样的Δd，其非线性误 差将增加，线性度将变坏。
d1Cd
d0
C0 d0
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4.1 工作原理和结构
• 由此可得： (1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。 (2)非线随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线 性度应限制相对位移。 (3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测 量小位移。 (4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性， 大都采用差动式电容结构。
传感器原理及应用第四章 电容式传感器
11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
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电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 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或粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
实验四--电容式传感器的位移特性实验
实验四 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容传感器的结构及特点，电容传感器的位移测量原理。
二、实验仪器电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套 三、实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理： dSdSC r ⋅⋅==εεε0 （4-1）式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε0真空介电常数，εr 介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图4-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图4-1 差动电容传感器原理图四、实验内容与步骤1．按图4-2将电容传感器安装在传感器固定架上，将传感器引线插入电容传感器实验模块插座中。
图4-2 电容传感器安装示意图2．将电容传感器模块的输出U O 接到数显直流电压表。
3．将实验台上±15V 电源接到传感器模块上。
检查接线无误后，开启实验台电源，用电压表2V档测量“电容传感器模块”的输出，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（2V档）。
（Rw确定后不要改动）4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表4-1。
五、实验报告1．根据表4-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
传感器原理与应用习题第4章电容式传感器 (1)
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？答：（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。
（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。
（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差？答：原因：灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比，用减少0δ的办法来提高灵敏度，但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。
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。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？答：电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器，已知原始极距1δ＝2δ＝0.25mm ，极板直径D ＝38.2mm ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R ＝5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1＝60V 的电源电压，其频率为f ＝400Hz ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C ＝0.001μF 。
电容式传感器
§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2
Z3 Z4
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交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
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下页
差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2
C2 C0
1 0 0 0
上页 下页
另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0
d
0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
上页 下页
§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
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下页
二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
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j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j
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电容式传感器
一、单项选择题
1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变
B.增大一倍
C. 减小一倍
D.增大两倍
4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小
C．非线性误差增加 D．非线性误差不变
5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式
C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式
10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）
A．调频测量电路 B．运算放大器电路
C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路
12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍
A．1 B．2 C．3 D．0
三、填空题
1、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为的变化来实现对物理量的测量。
2、电容式传感器根据其工作原理的不同可分为电容式传感器、
电容式传感器和电容式传感器。
3、变极距型电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。
4、变极距型电容式传感器单位输入位移所引起的灵敏度与两极板初始间距成关系。
10、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）外是线性的。
四、简答题
1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？各适用于什么场合？
3、差动结构的电容传感器有什么优点？
6、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？
五、计算题
2、当差动式极距变化型的电容传感器动极板相对于定极板位移了△d=0.75mm时，若初始电容量C1=C2=80pF，初始距离d=4mm，试计算其非线性误差。
若将差动电容改为单只平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？
2、解：差动变极距型电容传感器非线性误差： 2
20d 0.75100%()100% 3.5%d 4δ∆=⨯=⨯= 单只平板电容，其非线性误差为：
0d 0.75100%100%18.75%d 4δ∆=⨯=⨯=。