第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式
电容传感器的基本理想公式为
CA0rA
dd
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。
固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。
2020/9/25
Page 4
项目四 电容式传感器 知识准备
电容式传感器传感元件
2 1
(a)
(b)
2020/9/25
Page 2
测厚仪作为一种在线测量 板材厚度的高精密仪器，在 整个轧机的厚控系统中占着 非常重要的地位。它为轧机 的AGC系统提供实时厚度偏差 信号，信号的准确度与分辨 力直接影响了压扎板材的厚
度质量。
项目四 电容式传感器 项目引入
2020/9/25
Page 3
项目四 电容式传感器 知识准备
根据表4-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影 响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一 种情况下的电容量大？
项目四 电容式传感器 知识准备
第二节 电容式传感器的测量转换电路
电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。 理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电 容及变化太小，不易实现。 – 电桥电路 – 调频电路 – 谐振电路 – 运算放大器式电路 – 脉冲宽度调制电路
项目二 电容式传感器
【项目目标与要求】 知识目标： 1．掌握电容传感器的结构和工作原理； 2．了解电容式传感器的应用情况。 4．掌握电容式传感器的实用电路 技能要求： 1．学会用电容式传感器测量位移； 2．学会电容测厚仪的使用； 3．学会电容接近开关的设计方法与应用电路。
2020/9/25
Page 1
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
项目四 电容式传感器 知识准备
一、变面积式电容传感器
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。图c是一个角位移式的结构。极板 2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就减小 ，因而电容量也随之减小。
•为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响， 常采用差动式电容传感器 •上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板 •未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中 间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。
δ1
δ2
S
差动平板式电容传感器结构
项目四 电容式传感器 知识准备
解：
1） C0dSdr2 8.8510 01.32**1*0(34*103)2 1.48PF
CC01 dd/d/0d0
2*103/0.3 1.48*12*103/0.30.0P 1F
2）S1*S2*ΔC=100*5*0.01=5格
项目四 电容式传感器 知识准备
三、变介电常数式 常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。
项目四 电容式传感器 知识准备
第二节 电容式传感器的测量转换电路 （电桥电路 ）
Cr1
C
U0
R
R
U （a）
Cr1
Cr2
U0
C
C
U
（b）
Cr1
Cr2
U0
L
L
U （c）
项目四 电容式传感器 知识准备
第二节 电容式传感器的测量转换电路 （电桥电路 ）
另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较 高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响 极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，
项目四 电容式传感器 知识准备
例:
一 电 容 测 微 仪 ， 其 传 感 器 的 圆 形 极 板 半 径 r=4mm ， 工 作 初 始 间 隙 d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求：
1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm, 电容变化量是多少?
2)若测量 电路 的灵 敏度 S1=100mv/PF, 读 数仪 表的灵 敏度 S2=5格 /mv, 当 Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格?
项目四 电容式传感器 项目引入
电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至 0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含 量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。 在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。
项目四 电容式传感器 知识准备
变极距式电容传感器的特性曲线
从图中可以看 到，为了提高灵 敏度，应使当d0 小些还是大些？ 当变极距式电容 传感器的初始极 距d0较小时，它 的测量范围变大
还是变小？
a）结构示意图
b）电容量与极板距离的关系
1—定极板 2—动极板
项目四 电容式传感器 知识准备
差动式结构
当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变 极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感 器内。
电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变 化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可 以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式
用途： 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度 测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度
项目四 电容式传感器 知识准备
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。
表4-1几种介质的相对介电常数
项目四 电容式传感器 知识准备
变介电常数式电容传感器的用途
项目四 电容式传感器 知识准备
变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度 是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、 尺寸等参量。
项目四 电容式传感器 知识准备
二、变极距式电容传感器
项目四 电容式传感器 知识准备
二、变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极 板之间的距离d，从而使电容量发生变化。 实际使用时， 总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带 来了变极距式电容器的行程较小的缺点。
U
适合于高频电源下工作。
Cr1 Cr2 U0
（d）
变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。