第4章
4.2电容式传感器
4.2 电容式传感器
4.2.1 基本工作原理
将被测量的变化转换为电容量变化的传感器。 平行极板电容器的电容量为：
C S 0r S
dd
S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电常数； d——两平行极板间的距离，单位为m； ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr ≈1。
C
r
O A
-1（do
r
d）
CO (1 n d
do
)
代入式3 - 2 - 6，UO
U（E 1
n
d ） do
n是绝缘材料厚度与介质决定的常数。
U0
U E
C0 Cx
3-2-6(P46)
P185
电容式金属板材厚度测控原理
• 应用在轧制金属板材生产上，实时显示金属板材厚度，同时 调节轧辊压力，使板材厚度控制在一定误差范围内。
• 由交流电桥（变压器电桥）测量板材厚度引起的电容变化。
Q
电容传感器的特点
1．电容式传感器的优点
（1）温度稳定性好 （2）结构简单，适应性强 （3） 动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要 的作用能量极小，动态响应时间短，特别适合动态测 量。
2.电容式传感器的缺点：输出阻抗高，负载能力差。
c1 c1
c2 c2
u0
E 2
d d0
输出电压与被测位移成线性关系
• ４、３电容式传感器应用
电容式压差传感器 电容式加速度传感器 电容式荷重传感器 电容式应变传感器 电容式厚度传感器 电容式位移传感器
• 应用
电容式厚度传感器
P184
• 适合测量绝缘板 材的厚度
C
O A
d d
/
r
,当d
do
d时
作业
• 1、根据参数变化，电容式传感器有哪些类 型？简述各种类型电容式传感器的工作原 理。
• 2、某电容测微器，其传感器的圆形极板半 径为4mm，工作初始间距为0.3mm，介电 常数ε=8.85*10-12 F/m,工作时，若传感器 的下极板上移1μm，求：
（1）移动前初始电容量是多少？ （2）移动后电容的变化量多少？
H
ε
L
(2) 电极间有液体时电容：
C
2 0(L H ) ln(R / r )
2 H ln(R /
r)
C1
C2
C
C0
2( 0 )H ln(R / r )
液位传感器的等效电路
适用于非导电液体的液位测量
4.2.3等效电路分析
• L是电容器本身电感 和引线电感，Rs是引线 电阻，Rp是电容器并联 损耗电阻。
• 2.电容极板间有二种介质，二种介质的厚度或位置变化，如电 容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式液位传感器等。
初始时：
C1 C2 C0
lb 2d
( 0
0r )
C1 C2 1 r 2l C1 C2 1 r l
电容式液位传感器
2R
P174
2r
(1) 电极间无液体时电容：
ε0
C0
2 0L ln(R / r )
(a)图
C
S d 0 d
1
C0
d d0
C0
S d0
(b)图
C1
C0
1
d d0
C2
C0
1
d d0
C1 C2 C1 C2
d d0
应用：如P40差动脉冲调宽法
2. 变面积型电容传感器
直线位移式结构
C0
bl0
d
C
b(l0
d
l)
C0 (1
l l0
)
C
C0 C
C0
l l0
直线位移型电容传感器具有
等效电路参数决定谐振频率， 传感器工作时要求
低于谐振频率才能正常工作。
1
jC e
1
jC
jL或C e
C 1 2LC
Ce:实际有效电容
4.2.4 接口电路选择
(1)变极距型电容传感器
Cx
C0
1
d d0
U0
U E(1
d ) d0
U0
U E
C0 Cx
P46 (3-2-6)
(2)变面积型电容传感器，
Cx
C 0(1
l ) l0
U0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U E(1
l ) l0
U0
U E
Cx C0
(3-2-7)
差动式变极距型电容传感器
C1 C2 C1 C2
d d0
图3-2-6 (P46)
U0
UE
C1 C1
C2 C2
UE
d d0
２. 电桥电路 (变压器电桥组成半差动等臂电桥)
图3-1-6 (P43)
u0
E
2
线性输出特性。
2. 变面积型电容传感器 角位移变面积型
角位移式变面积型
C0
(R 2 r 2 )0 2d
C1
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C2
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C1 C2 C1 C2
0
3. 变介质型传感器
• 1.介质的介电常数随被测量(如温度、湿度)变化，如电容式温 度传感器、电容式湿度传感器等；
4.2 电容式传感器
若极板间有多种绝缘介质，电容量为：
C
d1
d2
S ... d n
1 2
n
对于同轴圆筒形电容，电容量为：
C
2 L ln(R / r )
2R 2r
L
电容式传感器按被测量所改变的电容器的参数 分类：变间隙型、变面积型、变介质型。
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
输出特性
• 一、变极距型