4.1 电容式传感器工作原理
C=ε.S/d=ε0. εr.S/d ε=ε0. εr C为电容 ε0=8.85×10-12F/m εr为相对介电常数 用S为极板相对覆盖面积m2 d为极板间距 电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介 电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移 式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常 数式、圆筒介电常数式。
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
4.2.2
差动脉冲宽度调制电路
电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲 的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器 得到对应于被测量变化的直流信号。
图4.16 差动脉冲宽度调制电路
（a）C1 = C2
（b）C1 > C2 图4.17 电路各点的充放电波形
当电阻R1 = R2 = R 时，则有
2．运算放大器式测量电路 理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为 C u o ui 0 Cx
采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器 的极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特 性。 C0 uo ui d S
图4.14 运算放大器式测量电路
图4.15 调零电路
Uo
C1 C2 UH C1 C2
由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。
4.2.3
调频电路
1．载波频率改变的调幅调频式 该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡 器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生 相应的变化。再经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。
图4.3 中间极板移动变面积式电 容传感器原理图
电容的相对变化量和灵敏度为 C x 为提高测量精度，也常用如图 C0 a 4.3所示的结构形式，以减少动极板 与定极板之间的相对极距可能变化 而引起的测量误差。
4.1 电容式传感器工作原理
2．角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移 q 时，两极板间互相 覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。
C
S
π π S (1 ) d d π
图4.4 角位移式电容传感器原理图
在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵 敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.5所示。
图4.5 差动角位移式电 容传感器原理图
4.1.2 变间隙式电容传感 器
基本结构电容的相对变化量和灵 敏度分别为
C d C0 d0
图4.18 调频-鉴频电路原理图
f
1 2π LC
调频振荡器的振荡频率
4.3 实际中存在的问题及其解决办法
1．温度影响 应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如 铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿 。 极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高 绝缘电阻、低吸湿性材料。 2 ．电场的边缘效应
作业
P73 1பைடு நூலகம்、 3、 4
图4.7 差动结构的变间隙电容传感器
4.1.3 变 介 电 常 数 式 电 容 传感器
1．平面式
C C C0
r 1
d
0 ax
图4.8 平面式测位移传感器
电容变化量C与位移x呈线性关系 。
x S C1C 2 C C1 C 2 x d ( x ) x
4.4 电容式传感器的应用
1．电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电 极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化 ，其电容量也相应产生变化。
图4.20 变面积式位移传感器结构图
2．电容式压力传感器 该压力传感器可用于测量微小压差。
图4.21 差动电容式压力传感器原理图
4.1 电容式传感器工作原理
4.1.1 器 变面积式电容传感
变面积式电容传感器的两个极 板中，一个是固定不动的，称为定 极板，另一个是可移动的，称为动 极板。 1．直线位移式
图4.2 变面积型电容传感器原理图
C
( a x )b
d

ab xb
d d
C0 C
K C b x d
图4.22 电容测厚仪工作原理
3．电容测厚仪 电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧 制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。
小
结
变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传 感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好 等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 只要固定平行板电容器3个参量d、S、e 中的两个，只要另外 一个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以 分成3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。 电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几 十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成 比例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路时，可根据 电容传感器的变化量，选择合适的电路。 由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使 电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用 时要引起注意。 返回目录
C C0 S K d d 0 d 02
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 分别为 C 2 d K C 2 C0 2 S
C0 d0
d d0 d 02
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。
若被测介质的介电常数 x 已知， 测出输出电容 C的值，可求出待测材 料的厚度x。若厚度x已知，测出输出 电容 C的值，也可求出待测材料的介 电常数 x。因此，可将此传感器用作 介电常数x测量仪。
图4.9 测厚仪
2．圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。 其基本结构如图4.10所示，内外筒为两 个同心圆筒，分别作为电容的两个极。
图4.11 电容式液面计
4.2 测量电路
4.2.1 调幅型电路
1．交流电桥电路 （1）单臂桥式电路
图4.12 单臂接法交流电桥电路
图4.13 变压器交流电桥电路
（2）差动接法变压器交流电桥电路
( C0 C ) ( C0 C ) U C U U o s s ( C0 C ) ( C0 C ) C0
C 2π h R ln r
图4.10 圆柱式电容器结构图
如图4.11所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，液体浸没电极的 高度就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成 线性关系。
第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。