电容式传感器.
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电容式传感器
1、特点： 1）温度稳定性好
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
电容式传感器介绍
演讲人
电容式传感器介绍
电容式传感器原理
电容式传感器分类
电容式传感器发展趋势
电容式传感器应用实例
电容式传感器原理
电容式传感器定义
电容式传感器是一种通过检测电容变化来测量物理量的传感器。
电容式传感器主要由两个平行电极板组成，其中一个电极板固定，另一个电极板可以移动。
当被测物体靠近或远离固定电极板时，两个电极板之间的电容会发生变化，从而实现对被测物体的测量。
01
工业自动化：用于检测和控制生产过程中的各种参数
02
消费电子：应用于手机、电脑等电子产品的触摸屏和按键控制
03
汽车电子：用于汽车安全气囊、刹车系统等安全设备的控制
04
医疗设备：用于医疗设备的检测和控制，如心电图仪、血压计等
电容式传感器分类
变极距式电容传感器
工作原理：通过改变两个极板之间的距离来改变电容量
4
谢谢
01
变介质式电容传感器
01
原理：利用介质的介电常数变化来检测目标物
02
应用：广泛应用于液位、压力、流量等测量领域
03
特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快
04
局限性：受介质特性影响较大，需要选择合适的介质材料
电容式传感器应用实例
触摸屏应用
1
智能手机：电容式触摸屏广泛应用于智能手机，实现多点触控操作。
02
集成化：电容式传感器将与其他传感器进行集成，实现多参数测量，提高测量效果。
微型化：电容式传感器将向微型化方向发展，便于安装和使用，降低成本。
04
节能、环保
低功耗设计：降低能耗，提高能源利用率
1
环保材料：使用环保材料，减少对环境的影响
电容式传感器介绍
电容式传感器原理
电容式传感器分类
电容式传感器发展趋势
电容式传感器应用实例
电容式传感器原理
电容式传感器定义
电容式传感器是一种通过检测电容变化来测量物理量的传感器。
电容式传感器主要由两个平行电极板组成，其中一个电极板固定，另一个电极板可以移动。
当被测物体靠近或远离固定电极板时，两个电极板之间的电容会发生变化，从而实现对被测物体的测量。
01
工业自动化：用于检测和控制生产过程中的各种参数
02
消费电子：应用于手机、电脑等电子产品的触摸屏和按键控制
03
汽车电子：用于汽车安全气囊、刹车系统等安全设备的控制
04
医疗设备：用于医疗设备的检测和控制，如心电图仪、血压计等
电容式传感器分类
变极距式电容传感器
工作原理：通过改变两个极板之间的距离来改变电容量
4
谢谢
01
变介质式电容传感器
01
原理：利用介质的介电常数变化来检测目标物
02
应用：广泛应用于液位、压力、流量等测量领域
03
特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快
04
局限性：受介质特性影响较大，需要选择合适的介质材料
电容式传感器应用实例
触摸屏应用
1
智能手机：电容式触摸屏广泛应用于智能手机，实现多点触控操作。
02
集成化：电容式传感器将与其他传感器进行集成，实现多参数测量，提高测量效果。
微型化：电容式传感器将向微型化方向发展，便于安装和使用，降低成本。
04
节能、环保
低功耗设计：降低能耗，提高能源利用率
1
环保材料：使用环保材料，减少对环境的影响
第7章 电容式传感器
2．变面积式电容传感器
变面积式电容传感器有三种类型的变面积传感器。
图7-5是平板直线位 移式电容传感器，上 极板是可以左右移动 的动极板，下极板是 固定不动的定极板。
图7-6是电容角位移式 传感器，动极板的轴由 被测物体带动而旋转一 个角位移θ度时，两极 板的遮盖面积S减小， 因而电容量C也随之呈 线性关系减小。
1、 结构
电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器， 如图7-20所示，从图中可以看到，检测极板设置在接近开 关的最前端，测量转换电路安装在接近开关的壳体内，并 用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。
2、工作原理
图7-21所示是调幅式测量转换电路。它由LC高频振荡 电路、检波器、直流电压放大器等组成。
图7-11所示即为调频原理框图。
3．运算放大器式测量电路
图7-12是一理想运算放大器式的测量电路，其理想运算放 大器输出电压与输入电压之间的关系为
uo
ui
C0 Cx
采用基本运算放大器的最 大特点是电路输出电压u0 与电容式传感器的极距d成 正比，使基本变极距式电 容传感器的输出特性具有 线性特性。
➢ 接近开关又称为无触点行程开关，本章介绍了接近开关的结构 和工作原理，并分析了电容式接近开关的结构、工作原理和应 用。
1．变极距式电容传感器
电容量C与极板距离d成反比，当图7-3中动极板在被测参
量的作用下发生位移时，改变了极距d的大小，从而使极
板之间的电容大小发生变化。电容的初始值为
，
当动极板在被测参量的作用下发生位移，使极距d减小了
Δd，则电容C将增加ΔC，当Δd<<d时，有
C
S(1 d
d d
)
C0
电容式传感器
电容式传感器与电阻式、电感式传感器相比具有以下优点: ①测量范围大。 ②灵敏度高。 ③动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小，
因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ④机械损失小。电容式传感器电极间相互吸引力十分微小，
又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较 高的精度。
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第三节 电气火灾消防知识
(3)接触不良引起过热如接头连接不牢或不紧密、动触点压 力过小等使接触电阻过大，在接触部位发生过热而引起火灾。
(4)通风散热不良大功率设备缺少通风散热设施或通风散热 设施损坏造成过热而引发火灾。
(5)电器使用不当如电炉、电熨斗、电烙铁等未按要求使用， 或用后忘记断开电源，引起过热而导致火灾。
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第一节 安全用电知识
正确使用绝缘操作用具，应注意以下两点:
(1)绝缘操作用具本身必须具备合格的绝缘性能和机械强度。
(2)只能在和其绝缘性能相适应的电气设备上使用。
2.绝缘防护用具
绝缘防护用具则对可能发生的有关电气伤害起到防护作用。 主要用于对泄漏电流、接触电压、跨步电压和其他接近电气 设备存在的危险等进行防护。常用的绝缘防护用具有绝缘手 套、绝缘靴、绝缘隔板、绝缘垫、绝缘站台等，如图7-3所示。 当绝缘防护用具的绝缘强度足以承受设备的运行电压时，才 可以用来直接接触运行的电气设备，一般不直接触及带电设 备。使用绝缘防护用具时，必须做到使用合格的绝缘用具， 并掌握正确的使用方法。
3.变介电常数式电容传感器 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，利用这种原理 制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用 来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测 量液体的液位等。
因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ④机械损失小。电容式传感器电极间相互吸引力十分微小，
又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较 高的精度。
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第三节 电气火灾消防知识
(3)接触不良引起过热如接头连接不牢或不紧密、动触点压 力过小等使接触电阻过大，在接触部位发生过热而引起火灾。
(4)通风散热不良大功率设备缺少通风散热设施或通风散热 设施损坏造成过热而引发火灾。
(5)电器使用不当如电炉、电熨斗、电烙铁等未按要求使用， 或用后忘记断开电源，引起过热而导致火灾。
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第一节 安全用电知识
正确使用绝缘操作用具，应注意以下两点:
(1)绝缘操作用具本身必须具备合格的绝缘性能和机械强度。
(2)只能在和其绝缘性能相适应的电气设备上使用。
2.绝缘防护用具
绝缘防护用具则对可能发生的有关电气伤害起到防护作用。 主要用于对泄漏电流、接触电压、跨步电压和其他接近电气 设备存在的危险等进行防护。常用的绝缘防护用具有绝缘手 套、绝缘靴、绝缘隔板、绝缘垫、绝缘站台等，如图7-3所示。 当绝缘防护用具的绝缘强度足以承受设备的运行电压时，才 可以用来直接接触运行的电气设备，一般不直接触及带电设 备。使用绝缘防护用具时，必须做到使用合格的绝缘用具， 并掌握正确的使用方法。
3.变介电常数式电容传感器 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，利用这种原理 制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用 来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测 量液体的液位等。
电容式传感器
传感器技术及应用
电容式传感器
电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量 变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数 的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱 形电容传感器。
可用来测量压力、力、位移、振动、液位、 成份含量等。
1.1 平行板电容式传感器工作原理
设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），两极板间 的距离为d0（m），极板间介质的介电常数为ε（F/m）。若 忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为:
式中：f0为等效电路谐振频率，
f0
2
1 LC
一般当f≤10MHz时，还可忽略L的影响，并且 实际使用时，只要使用条件能保证与传感器标定时 的接线条件，L可不考虑。
ZC
(RS
RP
)
1 2 RP2C 2
j( RP2C 1 2 RP2C 2
L)
由于传感器的并联电阻Rp很大，串联电阻RS很
小，忽略这两项，则等效阻抗ZC为：
ZC 1 jL jC
因此，电容传感器的等效电容Ce可由下式求得：
1 1 jL jCe jC
Ce
C
1 2LC
1
（
C f
f0 ）2
2.变介质圆柱形电容式传感器（变介电常数型）
当被测液体的液面在 同心圆柱形电极间发生变 化时，将导致电容的变化。
此时，相当于两个同 轴圆柱形电容C0、C1并联：
C
C0
C1
20 (h
ln R2
x)
21x
ln R2
2 0 h
ln R2
2
(1
ln
0
R2
)x
R1
R1
R1
R1
电容式液位计属于该类。输出电容与液面高度呈线性关系。
电容式传感器
电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量 变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数 的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱 形电容传感器。
可用来测量压力、力、位移、振动、液位、 成份含量等。
1.1 平行板电容式传感器工作原理
设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），两极板间 的距离为d0（m），极板间介质的介电常数为ε（F/m）。若 忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为:
式中：f0为等效电路谐振频率，
f0
2
1 LC
一般当f≤10MHz时，还可忽略L的影响，并且 实际使用时，只要使用条件能保证与传感器标定时 的接线条件，L可不考虑。
ZC
(RS
RP
)
1 2 RP2C 2
j( RP2C 1 2 RP2C 2
L)
由于传感器的并联电阻Rp很大，串联电阻RS很
小，忽略这两项，则等效阻抗ZC为：
ZC 1 jL jC
因此，电容传感器的等效电容Ce可由下式求得：
1 1 jL jCe jC
Ce
C
1 2LC
1
（
C f
f0 ）2
2.变介质圆柱形电容式传感器（变介电常数型）
当被测液体的液面在 同心圆柱形电极间发生变 化时，将导致电容的变化。
此时，相当于两个同 轴圆柱形电容C0、C1并联：
C
C0
C1
20 (h
ln R2
x)
21x
ln R2
2 0 h
ln R2
2
(1
ln
0
R2
)x
R1
R1
R1
R1
电容式液位计属于该类。输出电容与液面高度呈线性关系。
电容式传感器
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞 时，经控制系统使气囊迅速充气 。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
电容式接近开关
齐平式
非齐平式
电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示
• 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个 外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳 相连接。 相连接。 • 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 由于它的接近， 由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变 从而使电容量发生变化， 化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相 连的电路状态也随之发生变化， 连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制 开关的接通或断开。 开关的接通或断开。 • 这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以 这种接近开关检测的对象，不限于导体， 是绝缘的液体或粉状物等。 是绝缘的液体或粉状物等。
电容测厚仪结构示意图 l一金属带材 2一电容极板 3一传动轮 4一轧辊
电容式转速传感器
• 电容式转速传感器的工作 原理： 原理： • 齿轮外沿面为电容器的动 极板． 极板 ． 当电容器 定极板与 齿 顶相对时， 电容量最大， 顶相对时 ， 电容量最大 ， 而与齿隙相对电容量最小。 而与齿隙相对电容量最小 。 当齿轮转动时， 当齿轮转动时 ， 电容量发 生周期性变化． 生周期性变化 ． 通过测量 电路转换为脉冲信号， 电路转换为脉冲信号 ， 设 频率计显示为f， 频率计显示为 ，则n=60f/z
电容式转速传感器的结构原理1电容式转速传感器的结构原理 一定极板： 电容式传感 齿轮 2一定极板：3-电容式传感 一定极板 器 4频率计 频率计
电容式传感器
d
式中C0 0rba d 为初始电容。电容相对变化量
为
C x
C0 a
很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位
移Δx是线性关系，因而其量程不受线性范围的
限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。
它的灵敏度为： s C 0rb
x d
下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板 有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积 就改变，从而改变了两极板间的电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
C
C
C0
0 r bx
电容式传感器
内容
1 4.1 工作原理和结构 2 4.2 灵敏度及非线性 3 4.3 特点及应用中存在的问题 4 4.4 电容式传感器的测量电路 5 4.5 电容式传感器的应用
概述
电容式传感器是实现非电量到电容量转 化的一类传感器。 可以应用于位移、振动、角度、加速度等参 数的测量中。 由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨 率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。
下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于 测量液位高低的结构原理图。
图4-5 电容式液位传感器结构原理图
设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换 器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则 此时变换器电容值为：
C
21h
ln D
2 (H h)
ln D
式中C0 0rba d 为初始电容。电容相对变化量
为
C x
C0 a
很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位
移Δx是线性关系，因而其量程不受线性范围的
限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。
它的灵敏度为： s C 0rb
x d
下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板 有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积 就改变，从而改变了两极板间的电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
C
C
C0
0 r bx
电容式传感器
内容
1 4.1 工作原理和结构 2 4.2 灵敏度及非线性 3 4.3 特点及应用中存在的问题 4 4.4 电容式传感器的测量电路 5 4.5 电容式传感器的应用
概述
电容式传感器是实现非电量到电容量转 化的一类传感器。 可以应用于位移、振动、角度、加速度等参 数的测量中。 由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨 率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。
下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于 测量液位高低的结构原理图。
图4-5 电容式液位传感器结构原理图
设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换 器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则 此时变换器电容值为：
C
21h
ln D
2 (H h)
ln D
电容式传感器
2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
4.温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系， 从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两 方面。
24
四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
27
9
1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
电容式传感器
图5-5 电容式传感器等效电路
L 为引线电感和电容电感之和，是电容式传感器的标定电感。 Rs 包括引线电阻、极
板电阻和金属支架电阻。 Rp 为并联损耗电阻，它代表了极板间的泄漏电阻及介质损耗。
电容式传感器的有效电容 Ce 可以近似表示为
C Ce 1 2LC
式中， 2πf 为电源的角频率（f 为电源频率）。
3．减小外界温度的影响
（1）对结构尺寸的影响。电容式传感器极板间距 很小，因此对结构尺寸的变化非常敏感。 （2）对介质介电常数的影响。温度对介电常数的 影响由于介质不同而不同，空气及云母片的介电常 数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、 蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。
1.5 应用实践——简易液位指示及报警系统设计
图5-12 简易液位指示及报警系统
传感器原理与应用
1.5 应用实践——简易液位指示及报警系统设计
3．实践过程 系统采用柱状电容式传感器采集液体的液位。该传感器的介电质随被测液体液位的 变化而变化，从而引起对应电容的变化。由于电容式传感器的电压变化微弱且存在非线 性，所以要通过放大整形电路进行放大和整形。 放大整形后的信号通过A/D转换电路后送至单片机。单片机对信号处理后送至显示 电路，用于显示液位的高度，当液位达到报警极限时，单片机向报警电路发出报警信号。
1．实践目的
（1）了解电容式传感器的工作原理。 （2）能根据系统需求选择合适的电容式传感器。
2．应用描述
液位监测和控制在生产、生活中应用非常广泛， 如自动注水系统、恒压供水系统、水文监测系统和油 位检测系统等。简易液位指示及报警系统通常采用柱 状电容式传感器作为测量器件，结合单片机及其他外 围电路设计而成。
（5-10）
第3章 电容式传感器
ε r1 ( L0 − L) + ε r 2 L
d0
当L=0时，传感器的初始电容
C0 =
ε 0 ε r1 L0 b0
d0
=
ε 0 L0 b0
d0
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
∆C C − C 0 (ε r 2 − 1) L 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 = = C0 C0 L0
∆d 3 相对非线性误差为： = ( δ ) d0
∆d 2 ∆d ( ) = ( ) × 100% d0 d0
结论：差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍， 结论 而且非线性误差可以减小一个数量级。
3.2 电容式传感器的测量电路
一、等效电路 如图，C为传感器电容，RP 为并联电阻，它包括电极间 直流电阻和气隙中介质损耗 的等效电阻。串联电感L表 示传感器各连线端间的总电 感。串联电阻RS表示引线电 阻、金属接线柱电阻及电容 极板电阻之和。
C max − C min 87.07 pF − 41.46 pF = = 0.19 pF / L K= V 235.6 L
三、变极板间距（d）型
图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量 变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 。 设动片2未动时极板间距为d0，板间 介质为空气，初始电容为C0，则
d0 d1 ε0 ε1
变ε的电容传感器 ε
ε 0S ε 1S ⋅ 3 . 6π d 0 3 . 6π d 1 C 0 C1 S = C= = ε 0S d1 d 0 ε 1S C 0 + C1 3 . 6π ( + ) + 3 . 6π d 0 3 .6π d 1 ε1 ε 0
电容式传感器
电容的相对变化量为
2 4 d d C d 1 2 C0 d0 d0 d0
略去高次项,近似成线性关系
C 差动电容式传感器的灵敏系数为 K d 2 d 0 C0
结论：灵敏度提高一倍
第3章 电容式传感器
3.1 电容式传感器 3.2 电容式传感器的输出电路及等效电路
3.3 影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施 3.4 电容式传感器的应用
1
基本要求
1. 掌握电容式传感器基本工作原理、类型、线 性、灵敏度
2.理解电容式传感器的输出电路及等效电路
3.了解影响电容传感器精度的因素及提高精度 的措施 4.掌握电容式传感器的典型应用
C C C
灵敏度为
KC
C / C 0 1 a a
灵敏度系数KC为常数，可见减小极板宽度a可提高灵敏度，而极板的起 始覆盖长度b与灵敏度系数KC无关。但b不能太小，必须保证b＞＞d(极距)， 否则边缘处不均匀电场的影响将增大。 平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍 有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。 因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
C C 1 灵敏度 K ——常数 l l
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的 电容量Ca增加，下面部分的电容量Cb减少，使输出为差 动形式，有
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
13
C 2 d C0 d0
2 4 C d d C d 2 d 1 2 C0 d0 d0 d0 d0 C0
电容式传感器
电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。
电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。
最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。
[1]中文名；电容式传感器；外文名capacitive type transducer电容计算公式：εS/d应用：测量简介70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。
当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。
但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。
测知电信号的大小，可判断被测量的大小。
这就是电容式传感器的基本工作原理。
[2]分类根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。
电容式传感器
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§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2
Z3 Z4
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交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
上页
下页
差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2
C2 C0
1 0 0 0
上页 下页
另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0
d
0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
上页 下页
§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
上页
下页
二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
上页 下页
j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j
§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2
Z3 Z4
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交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
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差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2
C2 C0
1 0 0 0
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另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0
d
0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
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§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
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二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
上页 下页
j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j
电容式传感器
器 -解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、 塑料膜等）。
▪适合于微位移的测量。
进一步分析： 22
电
C
C C0
s 0
s 0
非线性分析：
容
s 0 0
C0
1
/
/
0
0
式 传
C C
0
0
1
1
0
感 器
C C0
0
1
0
0
2
若： 1 0
略去2次方以上高次项：
( ) 2 2
0
0
式 传 感
1 2
m
最大绝对误差：
ym
1 4
m
2 0
2
器
最大相对误差为：
2
ef
ym C C F.S
100%
1 4
m 0
m 0
1
m 0
1 4
m 0
100%
26
电
非线性误差：
ef
1 4
m 0
100%
灵敏度：
容
式 k (C C0 ) F .S . 1 (1 m )
式
➢ 容抗大：几十兆欧～几百兆欧
➢ 视在功率小：mW级
传
➢ 信号弱，一般情况需放大
感
➢ 易受环境电磁场和寄生电容的干扰
器
➢ 当工作频率很高时，容抗将减小，视在 功率增大。
38
四、静电吸力
电
容 原理：克服电场力所做的功与电场能量W的增加
相等。 式
传
F d dW
F dW
d
感
对平板电容器的分析计算：
电
被测物理量 , S, C
电容式传感器
A
A
1 A A 1 C0 C2 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
d 若位移量d 很小，且 1 ，上两式可按级数 d0 展开，得:
d d 2 d 3 C1 C0 [1 ( ) ( ) ...] d0 d0 d0
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微 小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示 仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传 输。
这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量， 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流 或者频率。 电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、 二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
RS 代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板
的电阻。
电感 L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 由等效电路可知，等效电路有一个谐振领率，通常 为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时， 谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择 低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正 常工作。
§4.4电容传感器的测量电路
结构形式二
电容传感器分类比较
§2电容式传感器的输出特性
差动电容传感器的结构如图3—4所示( )其输出特性 曲线如图 3—5 所示。在零点位置上设置一个可动的接 地中心电极，它离两块极板的距离均为d。当中心电极 在机械位移的作用下发生位移 d 时，则传感器电容 量分别为
1 1 C0 C1 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
具有以下特点：
一、 体积小，精度高，重量轻。能在极小的空间里实现多
种功能；
二、 性能稳定，可靠性高。由于MEMS器件的体积极小，
简述电容式传感器的定义及其分类
电容式传感器的定义及其分类1. 电容式传感器的定义电容式传感器是一种能够通过测量电容变化来检测和测量物理量的传感器。
它利用物体与周围环境之间的电容变化来实现对物理量的测量。
当物体与传感器之间的距离、形状或介质发生变化时，导致了电容值的改变，进而可以通过测量电容值的变化来推断出物理量的变化。
2. 电容式传感器的分类根据应用领域和工作原理，电容式传感器可以分为以下几类：(1) 接触式电容传感器接触式电容传感器是一种直接与被测对象接触并通过测量接触点之间的电容变化来实现对物理量进行检测和测量的传感器。
它通常由两个平行金属板组成，当被测对象与其中一个金属板接触时，会导致金属板之间形成一个微小的空气介质或介质层，并改变了两个金属板之间的电容值。
通过测量这种电容值的变化，可以得知被测对象与传感器之间的接触状态或物理量的变化。
接触式电容传感器广泛应用于触摸屏、键盘、开关和触摸式输入设备等领域。
它具有灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点。
(2) 非接触式电容传感器非接触式电容传感器是通过无需直接接触被测对象，而是通过测量被测对象与传感器之间的电容变化来实现对物理量进行检测和测量的传感器。
它通常利用被测对象与传感器之间的电场相互作用来实现对物理量的检测。
非接触式电容传感器广泛应用于非接触式液位计、非接触式位移计、非接触式温度计等领域。
它具有无需直接接触被测对象、适用于复杂环境等优点。
(3) 变容型电容传感器变容型电容传感器是一种根据介质的变化导致了电容值的改变来实现对物理量进行检测和测量的传感器。
它通常由两个金属板和一个可变介质层组成，当介质层发生形状或位置改变时，会导致金属板之间的电容值发生变化。
变容型电容传感器广泛应用于压力传感器、湿度传感器、流量传感器等领域。
它具有高灵敏度、可靠性高等优点。
(4) 电容式加速度传感器电容式加速度传感器是一种能够测量物体在加速度作用下引起的电容变化来实现对加速度进行检测和测量的传感器。
电容式传感器
2 0 h
A
K
2 0 h ln(r2 / r1 ) 2 ( 0 )
ln(r2 / r1 )
可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 注意事项：若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层 （如0.1mm的聚四氟乙烯等）。 19
第二节
转换电路
电容式传感器的转换电路，就是将电容式传感器看 成一个电容，并转换成电压或其他电量的电路。 一、电容式传感器等效电路 实际上，电容式传感器并不是一个纯电容，其完整 等效电路如图。
20
第二节
一、电容式传感器等效电路
转换电路
• • • •
•
L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感： r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容； Cp 为总寄生电容，包括引线电缆、所接测量电路及极板与
外界所形成的各种寄生电容； Rg 是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损 耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺 上和材料选取上应保证足够大。 21
13
2、变面积型电容传感器
变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感， 测量精度受到影响。 而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常 采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为
2 l C ln(r2 / r1 )
l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。
第二节
转换电路
讨论： 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以 忽略。其等效电路可简化，其中等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻 Re ≈Rg
+
-
S r 0 S C
简述电容式传感器的定义及其分类
简述电容式传感器的定义及其分类
电容式传感器是一种将物理量转化为电容变化的传感器。
它利用了电容与其结构、材料及环境之间的关系来测量或检测所感兴趣的物理量。
电容式传感器根据其测量原理和工作方式的不同可以分为以下几类：
1. 并行板电容传感器：由两个平行的金属板构成，其之间的电容随着感应物体的接近或离开而变化。
这种传感器常被用于检测物体的位置、距离和形状等。
2. 互补电容传感器：由两个相互补充的电容构成，一个电容与被测量的物理量相关，另一个电容与环境参数相关。
通过测量这两个电容的差异，可以得到被测量物理量的值。
例如，湿度传感器常采用互补电容测量原理。
3. 变容式电容传感器：在这种传感器中，感应物体的位置或变形会导致电容的变化。
例如，变压器中的位移传感器，它通过测量电容的变化来确定被测量物体的位置。
4. 表面电容传感器：这种传感器是通过感应物体接近或触摸传感器表面而改变电容来工作的。
触摸屏就是一种常见的应用了表面电容传感器的设备。
5. 微型电容传感器：这种传感器通常使用微机电系统（MEMS）技术制造，可以测量微小的物理量变化，如压力、加速度、倾斜角度等。
除了上述分类，电容式传感器还可以根据测量范围、灵敏度、工作原理等进行进一步的细分和分类。
电容式传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高等优点，在许多领域中得到广泛应用，如工业自动化、环境监测、医疗诊断等。
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权义萍
7
二、变介质价电常数型
图3-2为其结构原理图。图中两平行极板固定不动，极 距为，相对介电常数εr2为的电介质以不同深度插入电 容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并 联，即：
图3-2 变介质型电容传感器
2020/7/21
权义萍
8
C
C1
C2
0b0
d0
[ r1 (L0
L)
r2 L]
1
d d0
(d d0
)2
( d )3 d0
( d )4 d0
当 d d0 1 时，可略去高次项得近似的线性关系:
C
C0
d d0
如果考虑式中的线性项与二次项，则可得：
C C0
d d0
1
d d0
2020/7/21
权义萍
15
则传感器的相对非线性误差为：
(d d0 )2 100% d d0
极板间距变为 d d0 d ，电容量为：
S
C d0 d
2020/7/21
权义萍
12
极板移动前后电容的变化量为 ：
C
C
C0
S
d0 d
S
d0
S
d0
d d0 d
C0
d d0 d
上式表明 C d 之间不是线性关系。
C-d的关系为非线性，其特性曲线如图3-5所示。
但当d d0 时，可以
认为 C d 的关系为线性
2020/7/21
权义萍
2
§3-1 电容式传感器的工作原理
由：
C S 0r S
dd
－－两极板间介质的介电常数， 0r
0 －－为真空介电常数， 0 8.854 1012 F m
r－－介质的相对介电常数，对于空气介质而言 r 1
2020/7/21
权义萍
3
当被测参数d、S、εr 发生变化时，相应的电容发生 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， 通过测量电路就可转换为电量输出。
2020/7/21
权义萍
5
当有效覆盖S0 S时，则：
C S0 S (S0 S) S
dd
d
d
可见ΔS与ΔC的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：
K C
S d
对图(a)线位移式传感器：
则有：
C
S d
b0
d
l
b0l0
d
l l0
C0
l l0
C l C0 l0
2020/7/21
故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。
2020/7/21
权义萍
4
一、变面积型
原理图如图3-1所示。 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。
l
固定极板
l0
动极板
b0
0
(a) 线位移式
(b) 角位移式
图.3-1 变面积型电容传感器原理图
如云母、塑料膜等作为介质。如图所3-6所示。Βιβλιοθήκη 此时电容C变为：S
C 0 d
d g
0 r2
d －中间介质的厚度 g
中间介质的相对介电常数 r2
图3-6 放置介质的电容器结构
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权义萍
14
d
由前面公式知： C d0
C0 1 d d0
当时 d d0 1，上式按级数展开得：
C C0
d d0
ε为空气介电常数；C0为由变换器的基本尺寸决定的 初始电容值，即：
C0
2 H
ln D
d
由上式可知，此变换器的电容增量正比于被测液位高 度h。
2020/7/21
权义萍
11
三、变极距型
图3-4为此传感器的原理图。 设初始电容量为：
C0
S
d0
图3-4 变极距型电容传感器原理图
若电容动极板因被测量变化而向上移动 d 时，则
d
d0
100%
则其灵敏度为： K S
d02
为提高K，应减小d0，但其非线性误差随着d0的减小 而增大，故可采用差动结构：如图3-7所示： 以(a)图为例，当动片上移Δd ，则：
C1
C0
1
d d0
( d d0
)2
( d d0
)3
( d d0
)4
C2
C0
1
d d0
( d d0
)2
( d d0
ε1 ，液位高度为h，传感器变 换 器 高 度 为 H， 内 筒 外 径 为 d，
外筒内径为D，此时变换器电
容为：
C 21 2 (H h)
ln D
ln D
d
d
2 H 2 h(1 )
ln D
ln D
d
d
图3-3 电容式液位变换器结构图
C0
2
h(1
ln D
)
d
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权义萍
10
权义萍
6
对图(b)角位移式传感器，有：
C d S d S0 (1 ) C0 (1 ) C0 C0
则其灵敏度为： K C C0 S0
d
可见，（1）传感器的电容量与角位移呈线性关系； （2）增大传感器的初始面积或减小极板间
距d有利于增大传感器的灵敏度K。
2020/7/21
)3
( d d0
)4
2020/7/21
权义萍
16
图3-7 差动电容传感器原理图
（a）变d型
（b）变S型
则差动电容的输出为：
C
C1
C2
2C0
d
d0
( d d0
)3
( d d0
)5
2020/7/21
权义萍
17
略去高次项得：
C 2 d
C0
d0
其非线性误差为：
( d )3
d ＝( d )2 100％
第三章 电容式传感器
优点： 测量范围大 灵敏度高 动态响应时间短
机械损失小
结构简单，适应性强 缺点：
寄生电容影响大
具有非线性输出（变间隙式）
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权义萍
1
§3-1 电容式传感器的工作原理 §3-2 电容式传感器的测量电路 §3-3 电容式传感器的误差分析 §3-4 电容式传感器的应用
若电介质 εr1=1，则： C0 0L0b0 d0 , L 0
当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化 量为：
r2
C
C C0
r2
1 L
C0
C0
L0
故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系。
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权义萍
9
图3-3是变介质电容传感器
用于测量液位高低的结构原理
图。设被测介质的介电常数为
d
d
d
可见，差动电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而 且非线性误差减小一个数量级。
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权义萍
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§3-2 电容式传感器的测量电路
若电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条 件下，则电容的附加损耗等影响不可忽视，其 效电路如图3-8所示。
的：
C
C0
d d0
则其灵敏度K为：
K
C d
C0 d0
S
d02
图3-5电容量与极距的特性曲线
2020/7/21
权义萍
13
故变极距型电容传感器只在 d
线性输出。
d0很小时，才有近似
其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初 始极距来提高灵敏度。
初始极间距的减小可提高灵敏度，但过小会引起电容 击穿或短路。故可在极板间采用高介电常数的材料，