第3章 电容式传感器及应用-PPT精选文档
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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
《传感器技术》教学课件第3章
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之 间， 极板间距离在25~200μm 的范围内。最大位移应小于间距的 1/10， 故在微位移测量中应用最广。
14
2 、变面积型电容式传感器
图3-5是变面积型电 容传感器原理结构 示意图。 被测量通
b
a d
x S
过动极板移动引起
两极板有效覆盖面
a）平行板
b）扇形
c）圆筒形
1——定极板
2——动极板
图 3-6 变面积型电容传感器结构图 17
电容b
d
x
(3-8)
平行板电容传感器的灵敏度为
S C b
(3-9)
x d
可见，平板形电容传感器的输出特性是线性的，适合测
量较大的位移，其灵敏度 为常数。增大极板长度 或减小间
距 ，均可使灵敏度提高。极板宽度 的大小不影响灵敏度，
由运算放大器的原理可得：
U0
1 ( jwC x ) U 1 ( jwC )
C Cx
U
（3-18）
S
对于平板电容器，Cx d ，代入（3-18）后可得：
U0
UC
S
d
（3-19）
由式（3-19）可见，输出电压与d是线性关系，负 号表明输出与电源电压反相。这从原理上克服了变极 距型电容式传感器的非线性。但是仍然存在一定的非 线性误差。另外，为保证仪器精度，还要求电源电压U 的幅值和固定电容C值稳定。
24
变介电常数型电容传感器图3-8 如下所示：
a）
b）
例： 极板
带条
c）
滚轮
电容传感器测量
绝缘带条的厚度
25
若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传
14
2 、变面积型电容式传感器
图3-5是变面积型电 容传感器原理结构 示意图。 被测量通
b
a d
x S
过动极板移动引起
两极板有效覆盖面
a）平行板
b）扇形
c）圆筒形
1——定极板
2——动极板
图 3-6 变面积型电容传感器结构图 17
电容b
d
x
(3-8)
平行板电容传感器的灵敏度为
S C b
(3-9)
x d
可见，平板形电容传感器的输出特性是线性的，适合测
量较大的位移，其灵敏度 为常数。增大极板长度 或减小间
距 ，均可使灵敏度提高。极板宽度 的大小不影响灵敏度，
由运算放大器的原理可得：
U0
1 ( jwC x ) U 1 ( jwC )
C Cx
U
（3-18）
S
对于平板电容器，Cx d ，代入（3-18）后可得：
U0
UC
S
d
（3-19）
由式（3-19）可见，输出电压与d是线性关系，负 号表明输出与电源电压反相。这从原理上克服了变极 距型电容式传感器的非线性。但是仍然存在一定的非 线性误差。另外，为保证仪器精度，还要求电源电压U 的幅值和固定电容C值稳定。
24
变介电常数型电容传感器图3-8 如下所示：
a）
b）
例： 极板
带条
c）
滚轮
电容传感器测量
绝缘带条的厚度
25
若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传
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
电容式传感器及应用—电容式传感器的工作原理及其结构形式(传感技术课件)
可见，输出电容与液面高度成线性关 系。
平板形变面积式电容传感器的容量变化
设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板 随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减
小，电容Cx 为
Cx
b(a0
d0
x)
C0
1
x a0
式中C0 — 初始电容值
C0
ba0
d0
在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。
变面积式电容式传感器（角位移）
+ + +
变面积式电容式传感器（线位移）
线位移型电容式传感器分： 平面线位移型和圆柱线位移型两 种。
变面积式电容式传感器（线位移）
对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆 盖长度h变化时2 / r 1)
圆柱线位移型电容式传感器公式推导
由高斯定理可知，两导体间的电场强度E为 E
λ：单位长度电荷绝对值；r≤ l ≤R；
2 0l
E的方向垂直于轴平面沿辐射方向。
两柱形导体间的电位差为
B
R
R
U AB
Edl
A
r
2 0l
dl
2 0
ln
r
在圆柱形电容器每个极板上的总电荷 Q L
由电容定义得圆柱形电容器的电容为
C Q
L
20 L
U AB
r1、r2：电极板的内、外径；
当液面高度不为0时，电容量为：
C
C1
C2
20 (h hx )
ln r2
2 hx
ln r2
2 0 h
ln r2
2 ( 0 )hx
ln r2
r1
平板形变面积式电容传感器的容量变化
设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板 随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减
小，电容Cx 为
Cx
b(a0
d0
x)
C0
1
x a0
式中C0 — 初始电容值
C0
ba0
d0
在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。
变面积式电容式传感器（角位移）
+ + +
变面积式电容式传感器（线位移）
线位移型电容式传感器分： 平面线位移型和圆柱线位移型两 种。
变面积式电容式传感器（线位移）
对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆 盖长度h变化时2 / r 1)
圆柱线位移型电容式传感器公式推导
由高斯定理可知，两导体间的电场强度E为 E
λ：单位长度电荷绝对值；r≤ l ≤R；
2 0l
E的方向垂直于轴平面沿辐射方向。
两柱形导体间的电位差为
B
R
R
U AB
Edl
A
r
2 0l
dl
2 0
ln
r
在圆柱形电容器每个极板上的总电荷 Q L
由电容定义得圆柱形电容器的电容为
C Q
L
20 L
U AB
r1、r2：电极板的内、外径；
当液面高度不为0时，电容量为：
C
C1
C2
20 (h hx )
ln r2
2 hx
ln r2
2 0 h
ln r2
2 ( 0 )hx
ln r2
r1
第三章电容式传感器-文档资料92页
C1
C2
位移d
C1d
A
d0 d
C0
1
1 d
d0
C0
1
d d0 d
C2 d
A
d0 d
C0
1
1 d
d0
C0 1
d d0 d
1
x a
第三章 电容式传感器
(2) 角位移型
当θ=0时，则
C0
A
d0
当θ≠0时， 则
动极 板 定极 板
CA1
d0
C0
C0
C与角位移θ呈线性关系。
第三章 电容式传感器
双联电容器——变面积的电容传感器
当顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动 片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电 容量C也就越来越小，谐振频率也随之改变。
略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成线性关系：
C 2 d
C0
d0
传 感 器 的 灵 敏 度 为 ： KC/C0 2 d d0
考虑ΔC/C0式中的线性项和三次项, 得到相对非线性
误差r近似为 ：
第三章 电容式传感器
r22 |(| d d//d d00)|3|10 % 0 dd 0210 % 0
深度角度
第三章 电容式传感器
（3）、圆柱型电容传感器 圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆
盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化
第三章 电容式传感器
初始电容C0为：
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
最新第3章电容式传感ppt课件
时（有3-1：7）
当介质 2 移进电容器中 x长度时，有：
CA
bx l1 l2
CB
ba x
1 l
1 2
1
（3-18）
• 电容量为：
CC 01Ax （3-19）
式呈中线性关系。 A
1
a
l1
l
1 2
l2
1
，为常数，电容量 C与位移量x
其灵敏度系数为：
KC C x AC 0
（3-20）
• 此传感器可用来测量差压或表压(静态)，并将信号转换为成比 例的电信号，输出0~5VDC或0~10VDC的电压信号或4—20mA的 电流信号。激励电压为24VAC或24VDC。具有IP65／NEMA一4防 护等级。测量范围最小可达0~25Pa，最大为0~7500Pa，在温室 下精度为±1% FS，温度补偿范围在5~65 ℃，通过温度补偿电 路，使温度影响小于 ±0.06%FS/℃，其中，FS代表满量程，
hr
式中： 0 ——外圆柱简与内圆柱重叠部分长度；
R ——外圆柱简内径；
r ——内圆拄外径。
内圆柱沿轴线移动△x 时．电容的变化量为：
C2lnR xC0
x h0
r（3-12）源自其灵敏度系数为：KC
C2常数
x lnR
（3-13）
r
• 3．角位移式电容传感器 角位移式电容传感器的结
构如图3-5(c)所示，定极板2的轴由被测物体带动而
图3-9 调频电路
图3-9中的调频振荡器的频串 可由下式决定：
f0
2
1 L0Cx
（3-23）
式中： L0——振荡回路的电感； CX——电容式传感器的总电容。 在电容式传感器尚未工作时，则
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分析
变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电 容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的 4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥 供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、 相敏检波、滤波后，获得与被测量变化 相对应的输出，最后为仪表显示记录。
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23Leabharlann 2．调频电路把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络 中，被测量的变化引起传感器电容的变 化，继而导致振荡器谐振频率的变化。 频率的变化经过鉴频器转换成电压的变 化，经过放大器放大后输出。
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3.1.3 变介电常数式电容传感器
介质变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被测量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。 主要用来测量两极板之间的介质的某些 参数的变化，如介质厚度、介质湿度、 液位等。
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介质变化型电容传感器结构
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结论
传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与 液面h成线性关系，只要测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
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3.2电容式传感器的转换电路
电容传感器将被测量的变化转换成电容 的变化后，还需由后接的转换电路将电 容的变化进一步转换成电压、电流或频 率的变化。
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（a）为平板形位移电容传感器。
设两个相同极板的长为b，宽为a，极板 间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx 也随之改变。
( a x ) b a b x b C C C x 0 d d d
电容的相对变化量和灵敏度为
C x C0 a
C b K x d
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2．调频电路的特点
测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的 位移变化量，抗干扰能力强（加入混频 器后更强），缺点是电缆电容、温度变 化的影响很大，输出电压U0与被测量之 间的非线性一般要靠电路加以校正，因 此电路比较复杂。
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3．运算放大式电路
极距变化型电容传感器的电容与极距之 间的关系为反比关系，传感器存在原理 上的非线性。利用运算放大器的反相比 例运算可以使转换电路的输出电压与极 距之间关系变为线性关系，从而使整个 测试装置的非线性误差得到很大的减小。
第3章 电容式传感器及应用
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引言
电容式传感器是将被测非电量的变化转 化为电容变化量的一种传感器。 结构简单、分辨力高、可非接触测量， 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条 件下工作 。 很有发展前途的传感器 。
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目录
3.1电容式传感器工作原理及类型 3.2电容式传感器的转换电路 3.3电容式传感器的应用
转换电路的组成部分
1．交流电桥 2．调频电路 3．运算放大式电路 4．脉冲宽度调制电路 5．二极管双T型交流电桥
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1．交流电桥
将电容传感器的两个电容作为交流电桥 的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转 换成电桥输出电压的变化。电桥通常采 用由电阻-电容、电感-电容组成的交流 电桥，图3-6为电感-电容电桥。
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差动结构形式
提高测量精度 ，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。
中间极板移动变面积式电容传感器原理
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（b）为圆柱线位移电容传感器
灵敏度K也为一常数。
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（c）为角位移形式的电容传感器。
当动极板有一角位移时，两极板的相对 面积A也发生改变，导致两极板间的电容 量发生变化
A
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结论分析
当 x d 0 时
x C x C0 (1 ) d0
电容与x 近似线性关系，但量程缩小很 多，变极距式电容传感器的灵敏度为
dC C A 0 K 2 dx d0 d0
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极距变化型电容传感器的灵敏度与极距 的平方成正比，极距越小灵敏度越高。 但 d 0 过小，容易引起电容器击穿或短路。 为此，极板间可采用高介电常数的材料 （云母、塑料膜等）作介质。 原理上的非线性 ，要修正。 差动工作方式，电容传感器的灵敏度提 高了一倍，非线性得到了很大的改善，
3.1.2 变极距式电容传感器
两极板的有效作用面积及极板间的介质 保持不变，则电容量C随极距d按非线性 关系变化，
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C 电容值
0
x
0
动极板2未动时传感器初始电容 C A （ C 0 d ）。 当动极板2移动x值后，
C x 0 C C ( 1 ) x 0 x d x 1 d x 0 0 d 0
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3.1电容式传感器工作原理及类型
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
A C d 保持其中两个参数不变，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。 电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面 积式和变介质式3种类型。
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结论
极距变化型电容传感器的优点是可实现 动态非接触测量，动态响应特性好，灵 敏度和精度极高（可达nm级），适应于 较小位移（1nm～1 m）的精度测量。 但传感器存在原理上的非线性误差，线 路杂散电容（如电缆电容、分布电容等） 的影响显著，为改善这些问题而需配合 使用的电子电路比较复杂
0
时
当
A0 C0 d
C
当
0
时
A 1 ) 0(
C ( ) 01 d
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推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
d C A K d d
变面积式电容传感器的输出是线性的， 灵敏度K是一常数。
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3.1.1 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、 介质等保持不变，被测量的变化使其有 效作用面积发生改变。 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。
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面积变化型电容传感器原理
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