第2章位移检测传感器之电容式
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根据不同需要采用平板型极板、圆筒型极板或锯齿型极板 这类传感器输入/输出具有线性特性
第2章位移检测传感器之电容式
21
变面积型
δ a
b
x
（a）直线位移式
第2章位移检测传感器之电容式
22
变面积型
(b)角位移变面积型 第2章位移检测传感器之电容式
23
工作原理：
动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引 起电容C发生变化。
l0
0
当动极板移动△L后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改 变，其值为
C 0 Sb 0 0 lb 0 l0 0 l0 lC 0 l0 l
则有：
C l C 0 l0
可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系
灵敏度为：
K C C0
l l0 第2章位移检测传感器之电容式
25
（2）角位移型
ε0——真空介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m ； ε ——两极板间介质的介电常数。
第2章位移检测传感器之电容式
0 r 3
1、 电容式位移传感器工作原理
由上式可知，电容量C是几何参数δ和S及介电常 数ε 的函数，任何一个参数发生变化时，都会引 起电容量的变化，如果保持其中两个参数不变， 而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化 转换为电容量的变化，通过基本转换电路就可转 换为电量输出。
当动极板上移，极距δ0减小△δ，传感器的电容量
S
C
0
电容增量：
CCC00SS0 S0 0
C0
0
/ 0 C0
1 / 第2章位移检测传感器之电0容式
9
当/01时，
略去高次非线性项，得电容的相对变化量为：
C
C0 0
传感器的灵敏度为：
KCC0
0
0S2
第2章位移检测传感器之电容式
10
非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：
当有效覆盖从S0 变至 S，则
C S 0 0S 0 (S 00 S) 0 S
可见ΔS与ΔC的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：
K C S 0
可见，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即
输出与输入呈线形关系
第2章位移检测传感器之电容式
24
（1）线位移型
l
动极板
b0
图中所示线位移式传感器：
固定极板
第2章位移检测传感器之电容式
15
初始位置时，
120
S ,C00
动极板上移时：
1 0 ,2 0
C 1C 0C0 S C 0 1 0 1
C 2C 0C0 S C 0 1 0 1
第2章位移检测传感器之电容式
16
当/01时，
C1C01 0 02 03..
..
..
C2C01 0 02 03..
c S
固定
固定
固定
S ，变
极距变化型
，变 S
面积
S ，变 介质
第2章位移检测传感器之电容式
4
2、 电容式位移传感器的分类
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变 介质（变介电常数）型三种。
电容式传感器
变极距式
变面积式
变介质式
——变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容 变化与极距变化之间为非线性关系。
第2章位移检测传感器之电容式
11
变极距型电容位移传感器小结
—只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为
常数（由上述分析可知，只有在Δδ/δ0 <<1的情况，电容随
极板间距离的变化才近似成线性关系）
——其灵敏度与初始极距δ0的平方成反比，故可通过减小初
始极距来要提高灵敏度。
——但当δ0 过小时，又容易引起击穿，或短路。同时加工
精度要求也高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，
放置云母、塑料膜等介电常数高的物质作为介质。
——存在线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减 小非线性，改善线性度，可采用差动式结构。
第2章位移检测传感器之电容式
12
双板式差动电容器 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
上静片
δ１
Ｃ１
CS 0rS
定极板 极距
δ
动极板
S ε
由上式可知，电容量C 与极板间距δ成双曲线 关系，如右图所示
第2章位移检测传感器之电容式
7
（一）变极距型电容位移传感器 基本工作原理
变极距型电容位移传感器
第2章位移检测传感器之电容式
8
基本工作原理
设动极板未移动时极板间距（初始极距）为δ0
则初始电容量：
C0 S 0
动
б２
Ｃ２
片
ε
下静片
两定板和中间一块动板组成差动结构
第2章位移检测传感器之电容式
13
差动式变间隙型电容传感器
定极板 动极板
定极板
C1 δ1 C2 δ2
第2章位移检测传感器之电容式
14
差动式电容位移传感器
——把电容位移传感器连接成差动形式，当 中间活动极板移动时，一边电容增加，另一 边电容减小，总的电容变化为两者的代数和。 这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工 作的线性度也得到了改善。
第二章 位移检测传感器 电容式位移传感器
2——6分 填空，选择，问答
第2章位移检测传感器之电容式
1
电容式位移传感器：是利用电 容量的变化来测量线位移或角 位移的装置。
第2章位移检测传感器之电容式
2
1、 电容式位移传感器工作原理
CS 0rS
δ
S ε
S ——极板间的覆盖面积（m2）； δ——极板间距离（m)； εr——极板间介质的相对介电常数；在空气中εr=1
——由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小， 对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性
——由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在 高频范围内工作。
——电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造 成测量误差。
第2章位移检测传感器之电容式
6
（一）变极距型电容位移传感器
基本工作原理
...
.
第2章位移检测传感器之电容式
17
第2章位移检测传感器之电容式
18
非线性误差为：
03
2
r 0
100%0
100%
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ 311）
非线性误差减小
第2章位移检测传感器之电容式
19
5月2日第二大节结束
第2章位移检测传感器之电容式
20
（二）变面积型电容位移传感器
变面积型电容位移传感器可用于线位移测量，也可用于角 位移测量。
——变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具
有比较好的线性，但灵第2章敏位移度检测比传感较器之低电容。式
5
3、 电容式位移传感器的使用方式
——封闭形式下使用 ——开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被
测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质 （当被测对象为绝缘体时）
4、 电容式位移传感器的特点
第2章位移检测传感器之电容式
21
变面积型
δ a
b
x
（a）直线位移式
第2章位移检测传感器之电容式
22
变面积型
(b)角位移变面积型 第2章位移检测传感器之电容式
23
工作原理：
动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引 起电容C发生变化。
l0
0
当动极板移动△L后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改 变，其值为
C 0 Sb 0 0 lb 0 l0 0 l0 lC 0 l0 l
则有：
C l C 0 l0
可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系
灵敏度为：
K C C0
l l0 第2章位移检测传感器之电容式
25
（2）角位移型
ε0——真空介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m ； ε ——两极板间介质的介电常数。
第2章位移检测传感器之电容式
0 r 3
1、 电容式位移传感器工作原理
由上式可知，电容量C是几何参数δ和S及介电常 数ε 的函数，任何一个参数发生变化时，都会引 起电容量的变化，如果保持其中两个参数不变， 而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化 转换为电容量的变化，通过基本转换电路就可转 换为电量输出。
当动极板上移，极距δ0减小△δ，传感器的电容量
S
C
0
电容增量：
CCC00SS0 S0 0
C0
0
/ 0 C0
1 / 第2章位移检测传感器之电0容式
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当/01时，
略去高次非线性项，得电容的相对变化量为：
C
C0 0
传感器的灵敏度为：
KCC0
0
0S2
第2章位移检测传感器之电容式
10
非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：
当有效覆盖从S0 变至 S，则
C S 0 0S 0 (S 00 S) 0 S
可见ΔS与ΔC的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：
K C S 0
可见，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即
输出与输入呈线形关系
第2章位移检测传感器之电容式
24
（1）线位移型
l
动极板
b0
图中所示线位移式传感器：
固定极板
第2章位移检测传感器之电容式
15
初始位置时，
120
S ,C00
动极板上移时：
1 0 ,2 0
C 1C 0C0 S C 0 1 0 1
C 2C 0C0 S C 0 1 0 1
第2章位移检测传感器之电容式
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当/01时，
C1C01 0 02 03..
..
..
C2C01 0 02 03..
c S
固定
固定
固定
S ，变
极距变化型
，变 S
面积
S ，变 介质
第2章位移检测传感器之电容式
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2、 电容式位移传感器的分类
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变 介质（变介电常数）型三种。
电容式传感器
变极距式
变面积式
变介质式
——变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容 变化与极距变化之间为非线性关系。
第2章位移检测传感器之电容式
11
变极距型电容位移传感器小结
—只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为
常数（由上述分析可知，只有在Δδ/δ0 <<1的情况，电容随
极板间距离的变化才近似成线性关系）
——其灵敏度与初始极距δ0的平方成反比，故可通过减小初
始极距来要提高灵敏度。
——但当δ0 过小时，又容易引起击穿，或短路。同时加工
精度要求也高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，
放置云母、塑料膜等介电常数高的物质作为介质。
——存在线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减 小非线性，改善线性度，可采用差动式结构。
第2章位移检测传感器之电容式
12
双板式差动电容器 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
上静片
δ１
Ｃ１
CS 0rS
定极板 极距
δ
动极板
S ε
由上式可知，电容量C 与极板间距δ成双曲线 关系，如右图所示
第2章位移检测传感器之电容式
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（一）变极距型电容位移传感器 基本工作原理
变极距型电容位移传感器
第2章位移检测传感器之电容式
8
基本工作原理
设动极板未移动时极板间距（初始极距）为δ0
则初始电容量：
C0 S 0
动
б２
Ｃ２
片
ε
下静片
两定板和中间一块动板组成差动结构
第2章位移检测传感器之电容式
13
差动式变间隙型电容传感器
定极板 动极板
定极板
C1 δ1 C2 δ2
第2章位移检测传感器之电容式
14
差动式电容位移传感器
——把电容位移传感器连接成差动形式，当 中间活动极板移动时，一边电容增加，另一 边电容减小，总的电容变化为两者的代数和。 这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工 作的线性度也得到了改善。
第二章 位移检测传感器 电容式位移传感器
2——6分 填空，选择，问答
第2章位移检测传感器之电容式
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电容式位移传感器：是利用电 容量的变化来测量线位移或角 位移的装置。
第2章位移检测传感器之电容式
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1、 电容式位移传感器工作原理
CS 0rS
δ
S ε
S ——极板间的覆盖面积（m2）； δ——极板间距离（m)； εr——极板间介质的相对介电常数；在空气中εr=1
——由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小， 对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性
——由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在 高频范围内工作。
——电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造 成测量误差。
第2章位移检测传感器之电容式
6
（一）变极距型电容位移传感器
基本工作原理
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第2章位移检测传感器之电容式
18
非线性误差为：
03
2
r 0
100%0
100%
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（ 311）
非线性误差减小
第2章位移检测传感器之电容式
19
5月2日第二大节结束
第2章位移检测传感器之电容式
20
（二）变面积型电容位移传感器
变面积型电容位移传感器可用于线位移测量，也可用于角 位移测量。
——变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具
有比较好的线性，但灵第2章敏位移度检测比传感较器之低电容。式
5
3、 电容式位移传感器的使用方式
——封闭形式下使用 ——开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被
测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质 （当被测对象为绝缘体时）
4、 电容式位移传感器的特点