第五章电容传感器共65页
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《电容传感器》PPT课件
四、双T电桥
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，电源
经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流
为20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
2021/4/24
4
轨道交通学院
School of Railway Transportation
二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
17
轨道交通学院
School of Railway Transportation
负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，电源
经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流
为20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
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4
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二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
17
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负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
第五章电容传感器
2020/1/22
16
第三节 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、
相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变
量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要 想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电 常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数 来达到非电量电测的目的。
2020/1/22
电容传感器工作原理可以用平板电容说明：
C s 0rs
改变式中
S — 极板面积，称变面积型传感器
— 极板距离，称变极距型传感器
— 介电常数，称变介质型传感器
0 — 真空介电常数
— 相对介电常数， r 无介质时空气介质 ε r =1
2020/1/22
2
一、变面积式电容传感器
4 5
结论：
内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。 实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界干扰， 并且能减小周围人体及金属体对内圆筒的分布电容，减小误 差。
2020/1/22
5
变面积式电容传感器的特性
角位移式： 电容变化及灵敏度为
C A d(1 )C(1 )
KddC A d
19
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅（下电极） 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅（上电极）
技术指标：
灵敏度：500mV/g ；量程：10g 频率范围：0.5-2000Hz； 安装谐振点:8kHz ； 分辨力：0.00004g ；重量：200g 安装螺纹：M5 mm ； 线性误差：≤1%
2020/1/22
20
1、测量过程
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结
构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、 C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅
电容式传感器 PPT讲稿
二、电容式传感器的分类及工作原理
分类：按工作方式分类 1.变极距型电容传感器 2.变面积型电容传感器 3.变介电常数型电容传感器
1 变极距型电容传感器
固定极板A
S
d
C S r0S
dd
保持其中两个参数不
ε
变，仅改变其中一个
活动极板B
参数，就可把该参数
S ——极板相对覆盖面积；
的变化转换为电容量
• 电容传感器将被测量的变化转换成电容的
变化后，还需由后接的转换电路将电容的 变化进一步转换成电压、电流或频率的变 化。
2020/7/11
22
转换电路的组成部分
• 1．交流电桥 • 2．调频电路 • 3．运算放大式电路 • 4．脉冲宽度调制电路 • 5．二极管双T型交流电桥
2020/7/11
23
交流电桥
角位移形式的电容传感器
• 当动极板有一角位移时，两极板的相对面
积A也发生改变，导致两极板间的电容量发
生当变化 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1 )
推导过程
• 电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
• 变面积式电容传感器的输出是线性的，灵
敏度K是一常数。
结论
• 介质变化型电容传感器的极距、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。
• 主要用来测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。
• 传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液
面h成线性关系，只要测出传感器电容C的 大小，就可得到液位h。
电容式传感器 课件
Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1
)
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一 常数。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，容易引起电容器击 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。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等 保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生 改变。
特点：运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最 高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的 影响，电路较为复杂且调整困难
2020/1/17
28
C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1
)
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一 常数。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，容易引起电容器击 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。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等 保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生 改变。
特点：运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最 高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的 影响，电路较为复杂且调整困难
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C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
第五章 电容传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件
双T形电桥电路具有以下特点： ①电路较为简单；②差动电容传感器、信号源、负
载有一个公共的接地点，不易受干扰；③VD1和VD2工 作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；④输出
信号为幅值较高的直流电压。
第三节 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极
距 x、相对面积 A 和极间介电常数 。固定
1－定极板 2－动极板 3－外圆筒 4－内圆筒 5－导轨 6－测杆 7－被测物 8—水平基准
C
A
C
d0 x
C
x
d0
变面积式电容传感器简析
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右 移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。 图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内 圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。
C A 0r A
式中
dd
A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；
d——两极板间的距离，也称为极距（m）；
ε ——两极板间介质的介电常数（F/m）；
εr——两极板间介质的相对介电常数； ε0——真空介电常数,ε0=8.8510-12(F/m)
电容器的边缘效应
理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只 有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。 到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线 弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时， 将引起测量误差。
器。反之，若εr不变，则可作为检测介质厚度的传感 器。
变介电常数式电容传感器的用途
当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度δ越大，
电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被 测介质所引起的电容C2的串联：
式中：
C 1 /C 1 1 1 /C 21 /d 0A 1 1 /0 rAd 0A /r
载有一个公共的接地点，不易受干扰；③VD1和VD2工 作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；④输出
信号为幅值较高的直流电压。
第三节 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极
距 x、相对面积 A 和极间介电常数 。固定
1－定极板 2－动极板 3－外圆筒 4－内圆筒 5－导轨 6－测杆 7－被测物 8—水平基准
C
A
C
d0 x
C
x
d0
变面积式电容传感器简析
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右 移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。 图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内 圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。
C A 0r A
式中
dd
A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；
d——两极板间的距离，也称为极距（m）；
ε ——两极板间介质的介电常数（F/m）；
εr——两极板间介质的相对介电常数； ε0——真空介电常数,ε0=8.8510-12(F/m)
电容器的边缘效应
理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只 有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。 到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线 弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时， 将引起测量误差。
器。反之，若εr不变，则可作为检测介质厚度的传感 器。
变介电常数式电容传感器的用途
当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度δ越大，
电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被 测介质所引起的电容C2的串联：
式中：
C 1 /C 1 1 1 /C 21 /d 0A 1 1 /0 rAd 0A /r
电容式传感器PPT课件
20
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种电容传感器有较多的结构型式，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物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种电容传感器有较多的结构型式，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物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
传感器与检测技术基础电容式传感器ppt课件
C0 C0
x l
1 1 2
d1 1
（3 18）
d2 2
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
圆筒式液位传感器
2r2
2r1
C1
C2
C
hx
h
图3-8 液位传感器的等效电路 (c) 液位传感器
C
2 0 h
lnr2 / r1
2 0 hx lnr2 / r1
A Khx
（3 19）
其中
K
2 lnr2
T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间；
U1—触发器输出的高电位。
C1、C2的充电时间T1、T2为：
T1
R1C1
ln U1 U1 Ur
T2
R2C2
ln U1 U1 Ur
V
235.6L
图5-5 变面积型电容传感器原理图
3.2 电容式传感器的测量电路
3.2.1 电容传感器的等效电路
R
L
RP
C
C
（a）
（b）
图3-9 电容传感器等效电路
3.2.2 电容传感器的测量电路 1. 电桥电路
Cr1
C
USC
R
R
U （a）
Cr1 Cr2
R USC
R
U （b）
图3-10 电容传感器构成的交流电桥
2 0 hx lnr2 / r1
A Khx
所以
Cmin
2 0h
ln r2
2
( 8.85pF / m )1.2m ln 40
41.46 pF
r1
8
同理，当被测液位高度最大，即hx= h =1.2m时传感器的电容量最大。
C max
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就减小，因而电容量也随之减小。
01.04.2020
2
2、变面积式电容传感器的特性
平板电容：
初始电容: C 0
ab
δ
b
当动C 极 板移b 动( a Δ X 后x 两)极 板C 0 间 电容b 量 x 为 ：C 0 C a0 a x
C
x
电容的相对变化量:
C0
a
平板变面积型电容传感器灵敏度
-
A1
+
R
R1
Cx1
VD1
Q
FF
Q—
低通 Uo
滤波器
-
—s
Uf
A2
+
R2 VD2 Cx2
01.04.2020
14
电路分析：
设接通电源时A高B低，R1对C1充电C点上升到Uf，比较器A1输 出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点 经C2充电使A2翻转。
C1= C2，UC、UD放电时间相同， 输出平均电压U0=0；
一、变面积式电容传感器
1、结构
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒3不动，内圆筒4在外圆筒内作上、下 直线运动,5是导轨。图c是一个角位移式的结构。极板1的轴由
被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A
变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质， 颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。
01.04.2020
8
三、变介电常数式 （几种介质的相对介电常数
介质名称
真空 空气 其他气体 变压器油 硅油 聚丙烯 聚苯乙烯
聚四氟乙烯
聚偏二氟乙
01.04.2020
烯
相对介电常数
εr
1 略大于1 1~1.2
调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的
一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡
器的振荡频率发生变化。其中L为固定电感，电容C包
含谐振回路中的微调电容C1，传感器电缆分布电容Cc
以及变化电容Cx
f
1
2 LC
由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变 化转化换为电压的变化。
01.04.2020
第一节 电容式传感的结构形式及工作原理
电容传感器工作原理可以用平板电容说明：
C s 0rs
改变式中
S — 极板面积，称变面积型传感器
— 极板距离，称变极距型传感器
— 介电常数，称变介质型传感器
0 — 真空介电常数
— 相对介电常数， r 无介质时空气介质 εr =1
01.04.2020
1
2~4 2~3.5 2~2.2 2.4~2.6
介质名称
玻璃釉 SiO2 云母
干的纸 干的谷物 环氧树脂 高频陶瓷
2.0
低频陶瓷、压
电陶瓷
3~5
纯净的水
相对介电常
数εr
3~5 38 5~8 2~4 3~5 3~10 10~160
1000~10000
80
9
第二节 电容式传感器的测量转换电路
电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。 一、桥式电路
K
C X
b
结论：
增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度
变面积式电容传感器灵敏度K为常数；
输出特性为线性；
01.04.2020适合大位移测量。
3
变面积式电容传感器的特性
同心圆筒变面积式：
2R
2r
x
电容变化及灵敏度为
C x2(hx)C(1x)
h0
lnR(r)
h 3
KddCxxln2(Rr)
4 5
结论：
1、当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ 越厚，电容量也 就越大。
2、当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气 湿度变化，介质吸入潮气（ εr水>>1）时，电容量将变大。
3、当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极 间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为 空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变 大。
1、初始极距小，灵敏度高。 2、非线性（缺点） 3、行程较小（两块极板短路）。
采用差动形式：
1、提高传感器的灵敏度，减小 非线性。
2、外界的影响诸如温度、激励 源电压、频率变化等也基本 能相互抵消
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C1
d1
C2
d2
x
L0+ x L0- x
C1
C2
x
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三、变介电常数式
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。利用这种原理 制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如：
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二、变极距式电容传感器
C s 0rs
初始电容
s C0 0
当 减小 时，电容C增加 C
0
Cx
S C
C xCC
(1 x )
σ
x
x
C CxC x C
ε
x
灵敏度为： KddC xx (Sx)2
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变极距式电容传感器的特性
从上式得出结论：
桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。
单臂桥接法
差动接法
～ ui
1MHz
C1 Cx
～ uo ～ ui
1MHz
C2
C3
Cx1
Cx2
～ uo
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Cx为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件
为： C 1 Cx Uo 0
C2 C3
当Cx变化时，Uo 0，即桥路有输出电压，上述指
12
Cx L0
调
频 振
f± f 限 幅
荡
器
器
TTL去计算机
鉴 频 器
Uo±U
放 大 器
电压输出
优点：抗干扰能力强，可以取得高电平的直流 信号。已克服分布电容的影响。
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13
三、脉宽调制（PWM）电发器； VD1、VD2与电阻组成 充放电回路；Uf参考直流电压; 双稳态作输出;电容Cx1、Cx2 为传感器差动电容。
单臂桥接法。
差动接法时，若Cx1=Cx2，因两电容上叠加的交流电
压值相等但相位相反，则Uo 0。若CX1≠CX2，因
两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，
则 Uo 0，即桥路有输出电压。
UoCx1 Cx2 Ui CUi
Cx1 Cx2 2
C0 2
相位由相敏检波电路分辨
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二、调频（FM）电路
内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。 实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界干扰，
并且能减小周围人体及金属体对内圆筒的分布电容，减小误 差。
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变面积式电容传感器的特性
角位移式： 电容变化及灵敏度为
C A d(1 )C(1 )
KddC A d
θ
1
2
结论：
增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。 实际使用时，动极板接地，必须做一个接地的金属屏蔽 盒，将定极板屏蔽。
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2
2、变面积式电容传感器的特性
平板电容：
初始电容: C 0
ab
δ
b
当动C 极 板移b 动( a Δ X 后x 两)极 板C 0 间 电容b 量 x 为 ：C 0 C a0 a x
C
x
电容的相对变化量:
C0
a
平板变面积型电容传感器灵敏度
-
A1
+
R
R1
Cx1
VD1
Q
FF
Q—
低通 Uo
滤波器
-
—s
Uf
A2
+
R2 VD2 Cx2
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电路分析：
设接通电源时A高B低，R1对C1充电C点上升到Uf，比较器A1输 出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点 经C2充电使A2翻转。
C1= C2，UC、UD放电时间相同， 输出平均电压U0=0；
一、变面积式电容传感器
1、结构
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒3不动，内圆筒4在外圆筒内作上、下 直线运动,5是导轨。图c是一个角位移式的结构。极板1的轴由
被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A
变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质， 颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。
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三、变介电常数式 （几种介质的相对介电常数
介质名称
真空 空气 其他气体 变压器油 硅油 聚丙烯 聚苯乙烯
聚四氟乙烯
聚偏二氟乙
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烯
相对介电常数
εr
1 略大于1 1~1.2
调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的
一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡
器的振荡频率发生变化。其中L为固定电感，电容C包
含谐振回路中的微调电容C1，传感器电缆分布电容Cc
以及变化电容Cx
f
1
2 LC
由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变 化转化换为电压的变化。
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第一节 电容式传感的结构形式及工作原理
电容传感器工作原理可以用平板电容说明：
C s 0rs
改变式中
S — 极板面积，称变面积型传感器
— 极板距离，称变极距型传感器
— 介电常数，称变介质型传感器
0 — 真空介电常数
— 相对介电常数， r 无介质时空气介质 εr =1
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1
2~4 2~3.5 2~2.2 2.4~2.6
介质名称
玻璃釉 SiO2 云母
干的纸 干的谷物 环氧树脂 高频陶瓷
2.0
低频陶瓷、压
电陶瓷
3~5
纯净的水
相对介电常
数εr
3~5 38 5~8 2~4 3~5 3~10 10~160
1000~10000
80
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第二节 电容式传感器的测量转换电路
电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。 一、桥式电路
K
C X
b
结论：
增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度
变面积式电容传感器灵敏度K为常数；
输出特性为线性；
01.04.2020适合大位移测量。
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变面积式电容传感器的特性
同心圆筒变面积式：
2R
2r
x
电容变化及灵敏度为
C x2(hx)C(1x)
h0
lnR(r)
h 3
KddCxxln2(Rr)
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结论：
1、当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ 越厚，电容量也 就越大。
2、当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气 湿度变化，介质吸入潮气（ εr水>>1）时，电容量将变大。
3、当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极 间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为 空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变 大。
1、初始极距小，灵敏度高。 2、非线性（缺点） 3、行程较小（两块极板短路）。
采用差动形式：
1、提高传感器的灵敏度，减小 非线性。
2、外界的影响诸如温度、激励 源电压、频率变化等也基本 能相互抵消
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C1
d1
C2
d2
x
L0+ x L0- x
C1
C2
x
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三、变介电常数式
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。利用这种原理 制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如：
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二、变极距式电容传感器
C s 0rs
初始电容
s C0 0
当 减小 时，电容C增加 C
0
Cx
S C
C xCC
(1 x )
σ
x
x
C CxC x C
ε
x
灵敏度为： KddC xx (Sx)2
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变极距式电容传感器的特性
从上式得出结论：
桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。
单臂桥接法
差动接法
～ ui
1MHz
C1 Cx
～ uo ～ ui
1MHz
C2
C3
Cx1
Cx2
～ uo
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Cx为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件
为： C 1 Cx Uo 0
C2 C3
当Cx变化时，Uo 0，即桥路有输出电压，上述指
12
Cx L0
调
频 振
f± f 限 幅
荡
器
器
TTL去计算机
鉴 频 器
Uo±U
放 大 器
电压输出
优点：抗干扰能力强，可以取得高电平的直流 信号。已克服分布电容的影响。
01.04.2020
13
三、脉宽调制（PWM）电发器； VD1、VD2与电阻组成 充放电回路；Uf参考直流电压; 双稳态作输出;电容Cx1、Cx2 为传感器差动电容。
单臂桥接法。
差动接法时，若Cx1=Cx2，因两电容上叠加的交流电
压值相等但相位相反，则Uo 0。若CX1≠CX2，因
两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，
则 Uo 0，即桥路有输出电压。
UoCx1 Cx2 Ui CUi
Cx1 Cx2 2
C0 2
相位由相敏检波电路分辨
01.04.2020
11
二、调频（FM）电路
内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。 实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界干扰，
并且能减小周围人体及金属体对内圆筒的分布电容，减小误 差。
01.04.2020
4
变面积式电容传感器的特性
角位移式： 电容变化及灵敏度为
C A d(1 )C(1 )
KddC A d
θ
1
2
结论：
增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。 实际使用时，动极板接地，必须做一个接地的金属屏蔽 盒，将定极板屏蔽。