第三章电容式传感器part1
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第3章电容式传感器
由图3Z C 7 可( 得R 到S 等1 效 阻R 2 抗R PZ2 C C，2) 即j(1 R 2 P R 2 C 2 C 2L )
P
P
式中2f为激励电源角频率
由于传感器并联电阻RP很大，上式经简化后得等效电容为
等效电容
CE1 C 2LC 1(C f/f)2
式中 f
1
0
为电路谐振. 频率
例如在图3-10(b)中a=1,=0。根据图3-9曲线知:k=0.25, =0， 因此输出电压USC=0.25E；图(c)中当
R 1 时,a1,900 根据图3-9曲线得到k=0.5, =0 jC
USC=0.5E；图3-10(c)和(d)线路形式相同，但是由于(d)图
中采用了差动式电容传感器，故输出电压USC=E ，比图 （c)的输出电压提高了一倍。
对于变极距型， 其静态灵敏度
KCC 0( 1 ) d d 1d/d
因△d/d <<1，上式可按 台劳级数展开而得
KC0[1d(d)2 ] d dd
KC0[1d(d)2 ] d dd
由上式可知，灵敏度与起始极间距d有关，而且不是常数， 是随被测量变化而改变。要提高灵敏度，应减小d,但δ过 小容易引起电容器击穿(空气的击穿电压3kV/mm)。
注意:１．上述各种电桥输出电压是在假设负载阻抗无限 大(即输出端开路)时得到的，
实际上由于负载阻抗的存在而使输出电压偏小。
２.电桥输出为交流信号，不能判断输入传感器信号的极 性，只有将电桥输出信号经交流放大后，再用相敏检波电 路和低通滤波器，才能得到反映输入信号极性的输出信号。
(四)运算法测量电路 它由传感器电容CX和固定电容 C。、以及运算放大器A组成。
④采用“驱动电缆”技 术(也称“双层屏蔽等位 传输”技术)。 见教材P60
第3章电容式传感器课件大学
往往是设计成d 在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，d0 越小， 灵敏度越高。
第4章 电容式传感器
一般电容式传感器的起始电容在20~30pF 之间，极板距离在 25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感 器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m 的线位移。
第4章 电容式传感器
电容式传感器的灵敏度定义为电容变化与所引起该变化的可动部件 的机械位移变化之比。
❖ 平板型改变面积的线位移传感器的灵敏度为
K C b
x d
❖ 平板型改变面积的角位移传感器的灵敏度为
K C C0
❖ 平板型改变极距的线位移传感器的灵敏度为
K
C d
S
d02
❖ 平板型变极距差动电容传感器的灵敏度为
r
d d0
2
100%
单一电容传感器的相对非线性误差为
r1
d d0
100%
显然，差动电容式传感器的非线性误差比单一电容传感器的非线性误
差大大地降低。
当与适当的测量电路配合后，它的输出特性在d/d0＝±33％的范围 内，偏离直线的误差不超过1％。
第4章 电容式传感器
➢ 差动式电容传感器可使灵敏度提高一倍
第4章 电容式传感器
3.3 电容式传感器的测量电路
与电阻式传感器采用电桥输出不同，电容式传感器有多 种转换输出电路，它借助于各种信号调理电路把微小的电容 变化转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。
一、运算放大器测量电路 二、电桥电路 三、二极管T形网络 四、差动脉冲宽度调制电路 五、调频测量电路 六、谐振电路
CA
ba
d2
1
d1
2 1
CB
第4章 电容式传感器
一般电容式传感器的起始电容在20~30pF 之间，极板距离在 25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感 器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m 的线位移。
第4章 电容式传感器
电容式传感器的灵敏度定义为电容变化与所引起该变化的可动部件 的机械位移变化之比。
❖ 平板型改变面积的线位移传感器的灵敏度为
K C b
x d
❖ 平板型改变面积的角位移传感器的灵敏度为
K C C0
❖ 平板型改变极距的线位移传感器的灵敏度为
K
C d
S
d02
❖ 平板型变极距差动电容传感器的灵敏度为
r
d d0
2
100%
单一电容传感器的相对非线性误差为
r1
d d0
100%
显然，差动电容式传感器的非线性误差比单一电容传感器的非线性误
差大大地降低。
当与适当的测量电路配合后，它的输出特性在d/d0＝±33％的范围 内，偏离直线的误差不超过1％。
第4章 电容式传感器
➢ 差动式电容传感器可使灵敏度提高一倍
第4章 电容式传感器
3.3 电容式传感器的测量电路
与电阻式传感器采用电桥输出不同，电容式传感器有多 种转换输出电路，它借助于各种信号调理电路把微小的电容 变化转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。
一、运算放大器测量电路 二、电桥电路 三、二极管T形网络 四、差动脉冲宽度调制电路 五、调频测量电路 六、谐振电路
CA
ba
d2
1
d1
2 1
CB
第三章 电容式传感器ppt课件
x)
r
式中h——电极高度； R——外电极的内半径； r——内电极的外半径。
所以
C2
2 xx ln RrC 2 (hxx)2 h2 (x)xabx
lnR
lnR lnR
r
r
r
.
a
2 h ln R
r
b 2 ( x ) ln R r
均为常数
上式表明，液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系。
2．电容式测厚仪 图所示为一种电容式测厚仪的原理图。两电极的间距
当被测参数变化引起电容传感器的输出电容变化ΔC时， 电桥失去平衡，其输出电压为
注意一点，在上式的推导过程中，用到了初始平衡 条件C0C2=C1C3。由上式可见输出电压U0与被测电容ΔC 之间是非线性关系。
.
2．差动接法 差动接法交流电桥电路，其
中相邻两臂接入差动结构的电容 传感器。空载时
整理可得
上式表明，差动接法的交流电桥电路的输出电压U0 与被测电容ΔC之间呈线性关系。
号的电压信号，有以下两种常见的形式。 (一)交流电桥电路 1．单臂接法
图所示为单臂接法交 流电桥电路，高频电源经 由变压器，将电源电压Us 加到电桥的一对角上。
C0+ΔC为电容传感器 的输出电容，C1、C2、C3 为固定电容，U0是输出电 压。
.
下面仅讨论空载(即输出端开路)时，输出电压U0与被测 电容ΔC之间的关系。在电容传感器未工作时，先将电桥调 到平衡状态，即C0C2=C1C3，U0=0。
二、变间隙型 1.基本结构
基本的变间隙型电容传感器有一个定极板和一个动极 板，如图所示。当动极板随被测量变化而移动时，两极板 的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量 C。设动极板在初始位置时与定极板的间距为d。，此时的 初始电容量为
第3章传感器技术——电容式传感器精品PPT课件
输出电容的变化量ΔC与输入位移Δd之间成非线性关系
当 |Δd/d0|<<1 时可略去高次项，得到近似的线性关系
k c c0 d d0
电容式传感器的灵敏度及非线性变极距型
k c d
c0 d0
（
|Δd/d0|<<1
时）
d 1
d0
一般取：d 0.02~0.1
d0
1.传感器的测量范围由初始距离d0决定
C S d
:极板间介质的介电常数
S :两个极板的相对有效积面 d :两个极板间的距离
变极距型 （变间隙型）
电容式传感器
变面积型
变介电常数型
电极形状：平板形、圆柱形、球平面形
各种结构形式
变极距型
差分式 差分式
各种结构形式
差分式 变面积型
各种结构形式
变介电常数型
常用于测量液体的液位和材料的厚度
d
电容式传感器的灵敏度及非线性变极距型
电容的变化量：当|Δd/d0|<<1时，可按级数展开
ccc0
s s
d0 d d0
..
.
..
.
dd0 1c0( dd0 )1( dd0 )( dd0 )2
(d)3 d0
.
.
...
.
灵敏度k为： k d cd c0 0 1( dd 0)( dd 0)2( dd 0)3... ...
灵敏 k度 C0rb
x d
线性关系
a
d
x S
b
x
测线位移
动极 板 定极 板
测角位移
变面积型电容式传感器
电容式传感器的灵敏度及非线性变介质型
L0 L
第3章 电容式传感器
6
C
二、变极距型电容式传感器
C
传感器的输出特性不是线性关
C 1C1
系，而是如图所示的双曲线关系。
C 2C2
OO d1d1 d2 d2
d
电容量C与极板间距离d的关系
7
8
设动极板未移动时极板间距为d0
初始电容量为：
A
C0
d0
动极板上移使d0 减少Δ d：
d
C
A
d1 d2 d0 ,C0 d0
d1 d 0 d, d 2 d 0 d
C1
A
d 0 d
C0 1
d d0
1
C2
A
d 0 d
C0 1
d d0
1
17
当d / d 0 1时，
C1
C0 1
d 0
灵敏度：
S C 2 C0 d d 0
A
2 d02
19
单边连接
r d 100% d0
S A / d02
差动连接：
d 2
r
d0
100%
S 2A
d02
减小
提高一倍
20
差动式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。
dg d
g
0
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于
1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。
有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输 出特性的线性度得到改善。
14
C
二、变极距型电容式传感器
C
传感器的输出特性不是线性关
C 1C1
系，而是如图所示的双曲线关系。
C 2C2
OO d1d1 d2 d2
d
电容量C与极板间距离d的关系
7
8
设动极板未移动时极板间距为d0
初始电容量为：
A
C0
d0
动极板上移使d0 减少Δ d：
d
C
A
d1 d2 d0 ,C0 d0
d1 d 0 d, d 2 d 0 d
C1
A
d 0 d
C0 1
d d0
1
C2
A
d 0 d
C0 1
d d0
1
17
当d / d 0 1时，
C1
C0 1
d 0
灵敏度：
S C 2 C0 d d 0
A
2 d02
19
单边连接
r d 100% d0
S A / d02
差动连接：
d 2
r
d0
100%
S 2A
d02
减小
提高一倍
20
差动式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。
dg d
g
0
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于
1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。
有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输 出特性的线性度得到改善。
14
《传感器与检测技术》第三章电容式传感器
测量位移x，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质 为空气，εo=8.85x10-12F/m。
变介质式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 电固体介质的湿度。
平板形变介质式电容式传感器
圆柱形变介质式电容式传感器
第十页，共30页。
第二节 电容式传感器的特性与补偿
第十一页，共30页。
一、一般结构电容传感器
1．一般结构变极距式平板电容传感器的灵敏度
（a）平板形差动电容；（b）旋转形差动电容；（c）圆柱形差动电容
第九页，共30页。
三、变介质式电容式传感器
变介质式电容式传感器工作原理
保持面积和极距两个参数不变，而仅改变介质一个参数，就可 把介质的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为 电量输出。这就是变介质式电容传感器的基本工作原理。
第三页，共30页。
一、变极距式电容传感器
1．变极距式电容式传感器的工作原理
原理：仅改变极距一个参数，就可把极距的变化转换为电容量的变 化，通过测量电路就可转换为电量输出。
当保证最大位移小于间距的1/10时，电容值相对变化量为： C d C0 d0
C与Δd的关系呈近似线性关系。 灵敏度为：
第十七页，共30页。
一、交流电桥测量电路
变压器电桥
C1、C2为差动电容式传感器的电容
C1
A
d d
C2
A
d d
U0
U 2
d d
可见，在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压 与位移成线性关系。
第十八页，共30页。
交流电桥测量电路的特点
①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采
变介质式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 电固体介质的湿度。
平板形变介质式电容式传感器
圆柱形变介质式电容式传感器
第十页，共30页。
第二节 电容式传感器的特性与补偿
第十一页，共30页。
一、一般结构电容传感器
1．一般结构变极距式平板电容传感器的灵敏度
（a）平板形差动电容；（b）旋转形差动电容；（c）圆柱形差动电容
第九页，共30页。
三、变介质式电容式传感器
变介质式电容式传感器工作原理
保持面积和极距两个参数不变，而仅改变介质一个参数，就可 把介质的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为 电量输出。这就是变介质式电容传感器的基本工作原理。
第三页，共30页。
一、变极距式电容传感器
1．变极距式电容式传感器的工作原理
原理：仅改变极距一个参数，就可把极距的变化转换为电容量的变 化，通过测量电路就可转换为电量输出。
当保证最大位移小于间距的1/10时，电容值相对变化量为： C d C0 d0
C与Δd的关系呈近似线性关系。 灵敏度为：
第十七页，共30页。
一、交流电桥测量电路
变压器电桥
C1、C2为差动电容式传感器的电容
C1
A
d d
C2
A
d d
U0
U 2
d d
可见，在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压 与位移成线性关系。
第十八页，共30页。
交流电桥测量电路的特点
①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采
电容传感器(传感器原理与应用)
第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。
由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。
这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。
而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。
多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。
A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r ε发生变化时，电容量C 也随之变化。
如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
因此。
电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。
在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距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。
二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。
若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。
电容式传感器
电容的相对变化量为
2 4 d d C d 1 2 C0 d0 d0 d0
略去高次项,近似成线性关系
C 差动电容式传感器的灵敏系数为 K d 2 d 0 C0
结论：灵敏度提高一倍
第3章 电容式传感器
3.1 电容式传感器 3.2 电容式传感器的输出电路及等效电路
3.3 影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施 3.4 电容式传感器的应用
1
基本要求
1. 掌握电容式传感器基本工作原理、类型、线 性、灵敏度
2.理解电容式传感器的输出电路及等效电路
3.了解影响电容传感器精度的因素及提高精度 的措施 4.掌握电容式传感器的典型应用
C C C
灵敏度为
KC
C / C 0 1 a a
灵敏度系数KC为常数，可见减小极板宽度a可提高灵敏度，而极板的起 始覆盖长度b与灵敏度系数KC无关。但b不能太小，必须保证b＞＞d(极距)， 否则边缘处不均匀电场的影响将增大。 平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍 有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。 因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
C C 1 灵敏度 K ——常数 l l
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的 电容量Ca增加，下面部分的电容量Cb减少，使输出为差 动形式，有
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
13
C 2 d C0 d0
2 4 C d d C d 2 d 1 2 C0 d0 d0 d0 d0 C0
CH3电容式传感器1
被测量的变化 电容式传感器 电容量的变化
被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转 速、流量及成份分析等, 精度可达 0.01%，250mm量程可 达5um。
电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一 种传感器，是很有发展前途的。
2020/3/30
3
3.1 电容式传感器的工作原理和结构
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
C S
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数，
+
S+ຫໍສະໝຸດ +ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极 板间介质的相对介电常数；
S——两平行板所覆盖的面积；
d
d——两平行板之间的距离。
2020/3/30
4
3.1 电容式传感器的工作原理及类型
当被测参数变化使得式中的S、 d或ε发生变化时， 电容
量C也随之变化。保持其中两个参数不变，而仅改变其 中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化， 通过测量电路就可转换为电量输出。
因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介
电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。
+
+
+
+
+
+
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5
2 1
(a)
(b)
(c)
(d)
C
21h
1n D
2 (H h)
1n D
2 H
1n D
2 h(1 )
1n D
C0
2 h(1 )
1n D
d
d
d
d
被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转 速、流量及成份分析等, 精度可达 0.01%，250mm量程可 达5um。
电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一 种传感器，是很有发展前途的。
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3
3.1 电容式传感器的工作原理和结构
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
C S
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数，
+
S+ຫໍສະໝຸດ +ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极 板间介质的相对介电常数；
S——两平行板所覆盖的面积；
d
d——两平行板之间的距离。
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3.1 电容式传感器的工作原理及类型
当被测参数变化使得式中的S、 d或ε发生变化时， 电容
量C也随之变化。保持其中两个参数不变，而仅改变其 中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化， 通过测量电路就可转换为电量输出。
因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介
电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。
+
+
+
+
+
+
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2 1
(a)
(b)
(c)
(d)
C
21h
1n D
2 (H h)
1n D
2 H
1n D
2 h(1 )
1n D
C0
2 h(1 )
1n D
d
d
d
d
电容式传感器的应用PPT课件
CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而 C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。
6
1. 电容式差压变送器
3.4 电容式传感器的应用
CA
PL
CL
dx
d0
C0
CL CA CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
即：C0
CACL CA CL
CL
CAC0 CA C0
;
CH
CAC0 CA C0
(1) 半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料,它们依照指纹的外表 地形(凹凸)转化为相应的电子信号,
并进一步产生具有灰度级的指纹 图像。
(3) 硅电容指纹图像传感器
(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊
和远离设备的谷温度的不同就可 以获得指纹图像。
这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵
环形二极管电路
Cx
2 hx
ln D
d
I f E(Cx Cd )
f ECx
ΔE=E2-E1；
f=1/T0，为方波的频率；
在方波频率和幅值一定的情况 下，输出电流的变化与液位成 正比。
3.4 电容式传感器的应用
d
ε0
hx
ε
D
测定电极 绝缘层 水
E2
E1
T1 T2
A e
V D4
V
D1
Cx B
V
D2
i1
电容C与液位h1之间呈线性关系. 15
3. 电容式液位计
3.4 电容式传感器的应用
(1)安装形式
电容式液位计的安装形式因被
6
1. 电容式差压变送器
3.4 电容式传感器的应用
CA
PL
CL
dx
d0
C0
CL CA CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
即：C0
CACL CA CL
CL
CAC0 CA C0
;
CH
CAC0 CA C0
(1) 半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料,它们依照指纹的外表 地形(凹凸)转化为相应的电子信号,
并进一步产生具有灰度级的指纹 图像。
(3) 硅电容指纹图像传感器
(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊
和远离设备的谷温度的不同就可 以获得指纹图像。
这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵
环形二极管电路
Cx
2 hx
ln D
d
I f E(Cx Cd )
f ECx
ΔE=E2-E1；
f=1/T0，为方波的频率；
在方波频率和幅值一定的情况 下，输出电流的变化与液位成 正比。
3.4 电容式传感器的应用
d
ε0
hx
ε
D
测定电极 绝缘层 水
E2
E1
T1 T2
A e
V D4
V
D1
Cx B
V
D2
i1
电容C与液位h1之间呈线性关系. 15
3. 电容式液位计
3.4 电容式传感器的应用
(1)安装形式
电容式液位计的安装形式因被
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d0
一般极板间距在25～200um范围内，而 最大位移应小于间距的十分之一，因此这 种电容式传感器主要用于微位移测量。
讨论
定极板 动极板
(2)差动式变极距型电容传感器 (2)差动式变极距型电容传感器 电容量的相对变化为 ：
C1 d1 C2 d2
∆C ∆d ≈2 C0 d0
定极板
灵敏度： 灵敏度：
∆C C0 =2 K= ∆d d0
四、变介质型电容式传感器 变介质型电容式传感器 (1) 单组式平板形厚度传感器
C1 dx C2 C3 C
(a) 厚度传感器
厚度传感器的等效电路图
设固定极板长度为a 宽度为b 设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离 被测物的厚度和它的介电常数分别为dx和 为d；被测物的厚度和它的介电常数分别为dx和ε , ab 则
第三章 电容式传感器
以电容器为敏感元件，将非电量的 电容器为敏感元件， 非电量的 为敏感元件 变化转换为电容量 电容量变化来实现对物理量 变化转换为电容量变化来实现对物理量 电容式传感器。 的测量传感器称为电容式传感器 的测量传感器称为电容式传感器。
电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、 电容式传感器 加速度以及压力、差压、液面（料位）、成 份含量等方面的测量。
插入介质ε2 后的电容量为： 后的电容量为：
C = CA + CB = bx 1 d1 + 1 + b ( l − x) d2 d1 + d2
所以
ε1 1− x ε2 C = C0 + C0 l d1 + ε1 d2 ε 2
ε1
ε2
ε1
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。 该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
五、电容式位移传感器的结构形式 电容式位移传感器的结构形式 位移传感器的结构形式
极距变化型 面积变化型 介质变化型 线位移 位移的形式 角位移
基本原理 分类
C = C1 + C2 + C3 =
d − dx
ε
+
dx
0
ε
(2)单组式平板形线位移传感器 (2)单组式平板形线位移传感器
CA ε2 d2 x l (b) 线位移传感器 线位移传感器等效电路图 d1 CB ε1 CA CB C
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器 的电容量为： 的电容量为：
bl C0 = ε1 d1 + d2
IBM Thinkpad T42/T43 的指纹识别传感器
各种电容式传感器
电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
差压传感器
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、 基本工作原理 平行极板电容器的电容量为： 平行极板电容器的电容量为：
极板1 极板
C=
εA
d
d
极板2 极板
δ
(a)
(b)
(c)
a
D1
L
2πε 0ε r (L − a ) a C1 = = C 0 1 − , 与a成线性关系。 D0 L ln D1
当覆盖长度变化时，电容量 当覆盖长度变化时， 也随之变化。当内筒上移为a 也随之变化。当内筒上移为a 内外筒间的电容C 时，内外筒间的电容C1为：
D0
圆柱形电容式线位移传感器
(2)板状线位移变面积型 (2)板状线位移变面积型
d a
b
x
Cx = C0 −∆C =
∆C x = C0 a
ε b ( a − x)
d0
（b）直线位移式
x = C0 1− a
线性
(3)同心圆筒形线位移电容式传感器 (3)同心圆筒形线位移电容式传感器
初始电容பைடு நூலகம்0为：
2πε 0ε r L , C0 = D0 ln D1 L ：筒长
2
非线性误差为： 非线性误差为：
3 0
提高一倍 减小
( ∆d d ) ∆d r= ×100% = ×100% d ( ∆d d )
0 0
三、变极板面积型电容式传感器 (1)角位移变面积型 (1)角位移变面积型
θ 动片
定片 （a）角位移式
∆C θ = C0 π
显然： 呈线性关系。 显然：电容Cθ 与角位移θ呈线性关系。
(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
二、变极距型电容式传感器
C 极板1 极板
△C
d0
极板2 极板 C0
△d
∆C ∆d ≈ C0 d 0
0 d0
d
∆d C = C0 + ∆C = C0 + C0 d0
C-d 特性曲线图
传感器的灵敏度为： 传感器的灵敏度为：
∆C C0 ε A 1 K= = = 2∝ 2 ∆d d 0 d 0 d0
非线性误差与 非线性误差与Δd/d0有关。其表达式为： 有关。其表达式为：
∆d 2 （ ） d0 ∆d r= = ×100% d0 ∆d d0
讨论
(1) 击穿问题
C= Cg C0 Cg + C0 = A dg
ε 0ε g
+
ε0