43电容式传感器
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理
首先，我们来了解一下电容的基本概念。
电容是指导体之间存储电荷的能力，
通常用C来表示，单位是法拉（F）。
电容的大小与导体间的距离和导体形状有关，可以用以下公式表示：
C = ε0 εr A / d。
其中，C为电容，ε0为真空中的介电常数（8.85×10^-12 F/m），εr为介质
的相对介电常数，A为导体间的有效面积，d为导体间的距离。
由此可见，电容与
导体间的距离和介质的介电常数密切相关。
在电容式传感器中，通常会有两个导体或电极，它们之间会形成一个电容。
当
目标物体靠近或远离电容式传感器时，导体间的距离会发生变化，从而导致电容的大小发生变化。
这种变化可以通过电路进行检测和测量，进而得到目标物体的信息。
电容式传感器可以应用于各种领域，如工业自动化、汽车制造、医疗设备等。
以工业自动化为例，电容式传感器可以用于检测物体的位置和形状，从而实现自动化生产线的控制和监测。
在汽车制造中，电容式传感器可以用于检测车辆的液位、压力等信息，保障车辆的安全和稳定运行。
在医疗设备中，电容式传感器可以用于监测患者的呼吸、心跳等生理参数，为医生提供诊断和治疗的依据。
总之，电容式传感器利用电容的变化来检测目标物体的信息，其工作原理基于
电容与距离、介质的关系。
通过合理设计电路和信号处理方法，可以实现对目标物体的准确检测和测量。
电容式传感器在工业、汽车、医疗等领域有着广泛的应用前景，将为各行业带来更高效、更安全、更便捷的解决方案。
电容式传感器的位移特性实验
实验一 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。
二、实验仪器及耗材：电容传感器、传感器实验箱（一）、传感器调理电路挂件、测微头、直流稳压源。
智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）。
三、实验原理利用平板电容C ＝/s d ε和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S 、d 中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d ）和测量液位（变S ）等多种电容传感器。
变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为：()212ln rr l C πε= （1）式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 12r r 、——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动l ∆时，电容变化量C ∆为：()()()()2221110222ln ln ln r r r r r r l l l l lC C l πεπεπε-∆∆∆∆=-== （2） 于是，可得其静态灵敏度为：()()()()()222111224/ln ln ln g r r r r r r l l l l C k l l πεπεπε⎡⎤+∆-∆∆==-∆=⎢⎥∆⎢⎥⎣⎦（3）可见灵敏度与，12r r 有关，12r r 与越接近，灵敏度越高，虽然内、外极筒原始覆盖长度l 与灵敏度无关，但l 不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。
四、实验内容及其步骤：1．将电容式传感器装于传感器实验箱（一）的黑色支架上，将传感器引线插头插入传感器调理电路中电容式传感器实验单元的插孔中。
2．Rw调节到大概中间位置（Rw为10圈电位器），将“电容传感器实验”单元的输出端Uo接入直流电压表。
43电容式传感器 (2)知识讲解
电桥阻抗平衡
图4-64 电容式自动平衡液位测量仪原理框图
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30
当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。 此时Uac≠0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动， 同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时
Cx0
C
R4
1151系列 电容式变送器 外形图
23
PL （定极板）
CL CH
PH （动极板）
当被测压力或压力差 作用于膜片并产生位 移时， 所形成的两 个电容器的电容量， 一个增大， 一个减 小。 该电容值的变 化经测量电路转换成 与压力或压力差相对 应的电流或电压的变 化。
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各种电容式差压变送器外形
R
C0
R3
联立求解上面两式得：
R R3 C0
C R3 C0
k1h
由于指针转角θ与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：
θ=k2R
因此
R3 C0
k1k 2 h
其中， k2为比例系数
可见，指针偏转转角θ与液位高度h成比例。
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b) 谐振电路（调频电路）
f0
2π
1 LC
这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。 当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再通 过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种 方法称为调频法。
39
案例3.电容式转速传感器
当齿轮转动时，电容量发生周 期性变化，通过测量电路转换 为脉冲信号，则频率计显示的 频率代表转速大小。
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 。
电容式传感器工作原理、特点和测量电路
当
C C0
d d0
[ 1
1
d
]
d0
d / d0时，1则上式可按级数展开，故得
2
3
C C0
d d0
[1
d d0
d d0
d d0
...]
4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
由上式可见，输出电容的相对变化量ΔC/C与输
入位移Δd之间呈非线性关系。当 略去高次项，得到近似的线性：
d/d时0 ，可1
4.1电容式传感器的工作原理和结构
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介 质型三种类型。
在实际使用时，电容式传感器常以改变改变平行 板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度 高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级 的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘米 数量级的位移。
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：
CCC00drbx
式中 为
C0 0rb为a初d始电容。电容相对变化量
C x C0 a
很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位
移Δx是线性关系，因而其量程不受线性范围的限
制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵
当差动式平板电容器动极板位移Δd时，电容器C0的
间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd则
C1
C
0
1
1 d
d0
C2
C0
1 1 d
d0
4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
在 d/d时0 ，1则按级数展开：
C 1C 0[1 dd 0( dd 0)2( dd 0)3...]
第4.2章 电容式传感器
检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。 传感器的静 电电容可由下式表示： k ( s 0 )h
C
式中： k ——比例常数； s ——被测物料的相对介电常数； 0——空气的相对介电常数； D——储罐的内径； d ——测定电极的直径； h ——被测物料的高度。
D ln d
传感器测量电路包括自激多谐振荡器、脉宽调制电路、频率/电压 转换器电路F/V和A/D转换器。如下图所示。
电容式传感器的应用
2 差动式电容测厚传感器
3 电容式料位传感器
下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐 的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容 器。
图 电容式料位传感器结构示意图
电容式传感器
原理：被测非电量转换为电容量的变化
A
δ
介电常数ε 电容式传感器结构图
A C
种类：变极距δ、变面积A、变介质 ε
δ 、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。
变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器
2 3 C0 S C0 C C0 1 0 1 0 0 0
2 d d d [1 ( ) 2 ( ) 4 ...] d0 d0 d0
电容值相对变化量为： C
略去高次项，则：
C0
C d 2 C0 d0
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。
变面积式电容传感器
输入输出特性：
C A 0
平板式
电容变化与电介质的移动量L成 线性关系
8
r ( L0 L) r L c c1 c2 0b0 d0 0 ( r 2 r1 ) Lb0 C0 d0
电容式传感器工作原理
电容式传感器工作原理电容式传感器是一种常用的传感器，它可以通过测量电容的变化来检测物体的位置、形状、湿度等信息。
在工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域都有着广泛的应用。
那么，电容式传感器是如何工作的呢？首先，我们需要了解电容的基本概念。
电容是指导体之间储存电荷的能力，通常用C来表示，单位是法拉（F）。
电容的大小与导体间的距离和导体的面积成正比，与介质的介电常数成反比。
在电容式传感器中，通常会有两个导体，它们之间通过介质隔开，形成一个电容。
当介质中的某些物理量发生变化时，导致电容的数值也会发生变化，从而实现对物理量的测量。
其次，电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现的。
以接近传感器为例，当有物体靠近传感器时，物体与传感器之间的介质会发生变化，导致电容的数值发生变化。
这种变化可以通过电路进行测量和处理，最终转化为我们需要的信号输出。
因此，电容式传感器可以通过测量电容的变化来实现对物体位置、形状等信息的检测。
另外，电容式传感器还可以应用于湿度检测。
在湿度传感器中，通常会使用一种吸湿性能较好的介质作为电容的一部分。
当介质吸收了空气中的水分时，导致电容的数值发生变化，通过测量这种变化可以实现对湿度的检测。
除了接近传感器和湿度传感器，电容式传感器还可以应用于触摸屏、位移传感器等领域。
在触摸屏中，电容式传感器可以通过测量人体与屏幕之间的电容变化来实现对触摸位置的检测。
而在位移传感器中，电容式传感器可以通过测量物体与传感器之间的电容变化来实现对位移的检测。
综上所述，电容式传感器是一种通过测量电容的变化来实现对物体位置、形状、湿度等信息检测的传感器。
它的工作原理是基于电容的变化，通过测量和处理电容的变化来实现对物理量的检测。
在工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域都有着广泛的应用前景。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一种基于电容原理来检测环境参数变化的传感器。
其工作原理是利用电容器的两个带电极板之间的电场变化来确定外部环境的变化。
当电容式传感器处于静止状态时，电容器的两个带电极板之间形成一个稳定的电场。
此时，两个带电极板之间的电场强度是一定的。
当外部环境发生变化时，比如物体靠近或远离传感器，或是环境温度变化，会导致电容器的电场发生变化。
当有物体靠近传感器时，物体会对电容器的电场产生影响，使电场线密集，电场强度增加；而当物体远离传感器时，电场线稀疏，电场强度减小。
这样的变化会导致电容器的电容值发生相应变化。
通过测量电容值的变化，可以确定外部环境的变化。
一般情况下，电容式传感器会将电容值的变化转换成对应的电压或电流信号，并进一步处理和解读，以获取所需的环境参数信息。
需要注意的是，电容式传感器的工作需要一个恒定的电源供应以及合适的信号处理电路。
同时，在使用过程中还需要考虑到环境因素对电容值的影响，比如温度变化、湿度变化等，这些因素会造成一定的误差。
综上所述，电容式传感器通过测量电容值的变化来检测外部环境的参数变化，是一种常用的传感器类型。
它具有响应速度快、精度高等优点，在很多领域都有广泛的应用。
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电气测试技术
电子信息与自动化学院 贺晓蓉
1
4.3 电容式传感器
电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具 有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大 及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液 位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用 带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛 应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的 广泛应用。
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案例3.电容式转速传感器
当齿轮转动时，电容量发生周 期性变化，通过测量电路转换 为脉冲信号，则频率计显示的 频率代表转速大小。
上午5时44分
案例4.电容式测厚仪
测量金属带材在轧制过程中厚度 . C1、C2工作极板与带材之间形成两个 电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金 属带材在轧制中厚度发生变化时，将 引起电容量的变化。通过检测电路可 以反映这个变化，并转换和显示出带 材的厚度。
上午5时44分
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将电容传感器接入高频振荡器LC谐振回路，作为回路的一部分。当被测量
变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率 f 1/(2 LC ) 随之改变，
即振荡器频率受传感器电容限制，因此称为调频电路。测定频率或经鉴频 器将频率变化转换为电压幅值的变化，就可测得被测量的变化。
上午5时44分
化转换为电信号输出。
4
4.3.2 类型
1.变间隙型
（变极距型）
C
0A
灵敏度：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ上午5时44分
间隙变化电容传感器用于测量 位移及一切能转化为位移测量 的物理参数，其特点是非接触 式测量，因而对被测量量影响 小，灵敏度高；测量范围可达 1mm，非线性误差约为满量程 的1％～3％；测量的频率范围 为0Hz～105Hz。
33
C）差动脉冲调宽电路
C1=C2: A点脉宽=B点脉宽,uAB=0 C1>C2:A点脉宽>B点脉宽, uAB>0
输出电压：
U AB
C1 C1
C2 C2
Ur
上午5时44分
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ur
-+N1
+
-N2
R 双稳 QA
V1 R1
态触
S
－Q B
发器
R2
V2
M C1
P C2
N
+N3
u0
-
图3.2.3 差动脉冲宽度调制电路
Cx0 R4 C0 R3
电桥阻抗平衡
图4-64 电容式自动平衡液位测量仪原理框图
上午5时44分
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当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。 此时Uac≠0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动， 同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时
上午5时44分
11
2.变面积型（A型）
角位移型
C
0A
+ + +
上午5时44分
12
板状（平面）线位移型
C
0A
上午5时44分
13
柱面（筒状）线位移型.
C
0A
面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极 距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测 量。
上午5时44分
压力变送器
上午5时44分
1151系列 电容式变送器 外形图
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PL （定极板）
CL CH
PH （动极板）
当被测压力或压力差 作用于膜片并产生位 移时， 所形成的两 个电容器的电容量， 一个增大， 一个减 小。 该电容值的变 化经测量电路转换成 与压力或压力差相对 应的电流或电压的变 化。
上午5时44分
5
从
可看出，灵敏度K与极距平方成反
比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距
来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，
故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规
定测量范围 ，一般取极距变化范围为 0 0.1 。 此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为
了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外
上午5时44分
陶瓷电容压力传感器
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被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件) 的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ元 件内的填充液传到预张紧的 测量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位 移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成电 流信号。
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4.3.3 测量电路 a)电桥电路
上午5时44分
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举例：电容式自平衡液位测量仪:图4-64是电容式自动平衡液位测 量仪原理框图，试求指针偏转角θ与液位h的表达式。
解：由图可见，当h=0 时，CX=CX0=C0，且电 位器RP（阻值RP）的电 刷在O点，即R=0，此 时电桥应平衡，桥路输 出电压Uac=0，则
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各种电容式差压变送器外形
上午5时44分
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各种电容式压力变送器外形（续）
（参考丹东长隆 自控有限公司 资料）
法兰
上午5时44分
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各种电容式压力变送器外形（续）
上午5时44分
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利用电容差压变送器测量液体的液位
施加在高压侧腔体内的压 力与液位成正比：
p = g h
上午5时44分
差压变送器
上午5时44分
9
动圈传声器
补充
主要由振动膜片、音圈、永久磁铁和升压变压器等组成。它的工作原理是 当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中 作切割磁力线的运动。根据电磁感应原理，在线圈两端就会产生感应音频 电动势，从而完成了声电转换。为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗， 还需装置一只升压变压器。
T1
t
t
T2
t
C1≠C2
图3.2.4 电压波形图
上午5时44分
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d) 运算放大器电路
当采用比例运算放大器电 路时，可以得到输出电压 与位移量的线性关系。
输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用电容传感器 ，根据 运算放大器的运算关系，当激励电压为 时，输出电压为：
所以：
由此式可知，输出电压 与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路 常用于位移测量传感器。
界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精
度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
上午5时44分
6
传声器是一种将声信号转换为电信号的换 能器件。俗称话筒、麦克风。传声器的好 坏将直接影响声音的质量。
电容传声器主要由振动膜片、刚性极板、 电源和负载电阻等组成。它的工作原理是 当膜片受到声波的压力，并随着压力的大 小和频率的不同而振动时，膜片极板之间 的电容量就发生变化。与此同时，极板上 的电荷随之变化，从而使电路中的电流也 相应变化，负载电阻上也就有相应的电压 输出，从而完成了声电转换。
上午5时44分
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uA
uA
u1
u1
当C1=C2时，两个电容充电时间常 0
数相等，两个输出脉冲宽度相等输 uB 出电压的平均值为零。当差动电容 u1
传感器处于工作状态，即C1≠C2时， 0
两个电容的充电时间常数发生变化， T1正比于C1，而T2正比于C2，这
uAB u1
时输出电压的平均值不等于零。输
工作流程方框图
上午5时44分
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电容接近开关，主要用于检测非金属物，被广
泛应用到颗粒料位仪、人体接近开关等用途， 它的直径为18毫米，固定时只要在设备外壳上 打一个18毫米的园孔就能轻松固定，长度约 70毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时 红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观， 引线长度为100毫米。
上午5时44分
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4.3.4 特点
1.优点
高灵敏、高精度、高分辨力(0.001m)，结构简单，适应 性强；温度稳定性好；动态响应好；
2.不足
(1)输出阻抗高（108），负载能力差;
(2)寄生电容大.
上午5时44分
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4.3.5 电容式传感器的应用
案例1.振动测量
上午5时44分
案例2.旋转轴的偏心量的测量
当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位 等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A） 为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q 端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲， 使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管 V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出 端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。
电容传声器的频率范围宽、灵敏度高、
失真小、音质好，但结构复杂、成本高， 多用于高质量的广播、录音、扩音中。
产品：电容传声器
上午5时44分
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传声器输出电压增量和被测声压成正比。
上午5时44分
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驻极体电容传声器
补充
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后， 表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电 容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。被广泛地应用在盒 式录音机中作为机内传声器。
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3.变介电常数型（ 型）
C
0A
大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板 间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量 温度、湿度、容量等。
上午5时44分