4电容式传感器
电容式传感器原理和应用
2(d)
d0
d0
比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之 后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降 低了。
4.3 特点及应用中存在的问题
4.3.1 电容式传感器的特点
1．优点： ●温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关， 有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻， 供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游 和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证
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。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
图4-1 变极距型电容传感器原理图
4.1电容式传感器的工作原理和结构
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大
Δ由C式，(则4C -3有)知C0传 感C器d的00输rA出d特C1性0(1(Cdd =0d2)d02f()d)不是(4线3)性关系，
而是如图4-2所示的曲线关系。
C d 1d
(1 )
C0 d0
d0
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
(d)2 d
100%
d
100%
d
d0
d
由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减 小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而 增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小 非线性误差，大都采用差动式结构。
第4章 电容式传感器
二、变极距型电容传 极距型电容传 感器
+ + +
+ + +
C =
ε 0εA δ
A
d
初始电容量C0为 ：
εr
C0 =
∆C，则有
ε 0ε r S
d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了∆d，电容量增大了
C0 = C = C0 + ∆C = d 0 − ∆d 1 − ∆d d0
ε 0ε r S
C C
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。
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差， 大都采用差动式结构。 在差动式平板电容器中，当动极板位移∆d时，电容器 C1的间隙d1变为d0-∆d，电容器C2的间隙d2变为d0+∆d, 则
δ
(a)
(b)
(c)
(d )
δ2
(e)
δ1
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
一、变面积式电容传感器
1、角位移型
+ + +
2、平面线位移型
3、柱面线位移型. 柱面线位移型.
a d ∆x S b
∆C = C − C0 =
x
ε 0ε r ∆x ⋅ b
d
式中C0=ε0εr ab/d 为初始电容。电容相对变化量为
可见，输出电容的相对变化量∆C/C0与输入位移∆d之间成 非线性关系，当|∆d/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的 线性关系：
∆C ∆d ≈ C0 d0
传感器与检测技术-第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 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。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、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。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
4 电容式传感器 .ppt
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4.1 工作原理和结构
三、 变介质型电容传感器
图4.1.5是一种常用的结 构形式。 图中两平行电
极固定不动，极距为d0， 相对介电常数为εr2的电
介质以不同深度插入电容 器中，从而改变两种介质 的极板覆盖面积。
L0 L
r2
r1
d0
图4.1.5 变介质型电容式传感器
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4.1 工作原理和结构
二、 变面积型电容传感器
b
a d
x S
图4.1.3是变面积型电容传感 器原理结构示意图。通过动极 板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而得到电容量的 变化。
x
C0
0rab
d
图4.1.3 变面积型电容传感器原理图
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4.1 工作原理和结构
• 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时 极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为 dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为 Δd/(d1+dg/εg)，由于εg=7>1故 (d1+dg/εg)<(d1+dg)=d0，则对同样的Δd，其非线性误 差将增加，线性度将变坏。
d1Cd
d0
C0 d0
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4.1 工作原理和结构
• 由此可得： (1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。 (2)非线随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线 性度应限制相对位移。 (3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测 量小位移。 (4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性， 大都采用差动式电容结构。
传感器原理及应用第四章 电容式传感器
11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
13
电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 接近开关的检测物体，并不限于金属导 体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
实验四--电容式传感器的位移特性实验
实验四 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容传感器的结构及特点，电容传感器的位移测量原理。
二、实验仪器电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套 三、实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理： dSdSC r ⋅⋅==εεε0 （4-1）式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε0真空介电常数，εr 介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图4-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图4-1 差动电容传感器原理图四、实验内容与步骤1．按图4-2将电容传感器安装在传感器固定架上，将传感器引线插入电容传感器实验模块插座中。
图4-2 电容传感器安装示意图2．将电容传感器模块的输出U O 接到数显直流电压表。
3．将实验台上±15V 电源接到传感器模块上。
检查接线无误后，开启实验台电源，用电压表2V档测量“电容传感器模块”的输出，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（2V档）。
（Rw确定后不要改动）4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表4-1。
五、实验报告1．根据表4-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
传感器原理与应用习题第4章电容式传感器 (1)
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？答：（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。
（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。
（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差？答：原因：灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比，用减少0δ的办法来提高灵敏度，但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式，可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。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？答：电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器，已知原始极距1δ＝2δ＝0.25mm ，极板直径D ＝38.2mm ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R ＝5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1＝60V 的电源电压，其频率为f ＝400Hz ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C ＝0.001μF 。
电容式传感器
§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
上页 下页
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
第4章电容式传感器(吴建平)
0
(
0
) 2 ]
C2 C0 [1
0
(
0
) 2 ]
电容的总的变化量
C C1 C2 2C0 [
0
(
0
)3 ]
第 4章
电容式传感器
传感器原理及应用
4.2 电容传感器输出特性 电容相对变化量
C 2 [1 ( ) 2 ( ) 4 ] C0 0 0 0
4.3 测量电路 3.二极管双T型电路 UE 高频对称方波电源，D1、D2 二极管，特性相同； C1、C2传感器差动电容；R1、R2 为固定电阻，RL负载。 一个周期内RL 上的平值电压为
U RL
R( R 2 RL ) RLU E f (c1 c2 ) MU E f (c1 c2 ) 2 ( R RL )
电容式传感器
传感器原理及应用
4.2 电容传感器输出特性 2.变面积型（S）
平板电容：当动极板移动Δ X 后，两极板间电容量为
初始电容 C0 ab
C x 电容的相对变化量 C0 a
b(a x) b x C C0 x C0 C0 a
C b k0 x
☻ 一个周期内负载 RL 上输出电
压URL与电源电压UE幅值、频率 f 有关; 与电容的差值 (C1-C2) 成正比。
第 4章
电容式传感器
传感器原理及应用
4.3 测量电路 3.二极管双T型电路 工作原理分析 • t > 0电路接通, C1充电至UC1= E ； • t = t1 UE负半周, D1截止，D2导通 C2充电至UC2 =-E,同时C1通过RL放电； 负载上电流 ：IL’= I1’（放）+ I2’（电源） • t = t2 ，UE正半周, D1导通, D2截止 C1充电, C2放电; 负载上电流 ： IL = I1（电源）+I2（放） • C1 = C2时 IL = IL’一个周期内平均值
4实验(四)差动变面积式电容传感器
电子信息工程学系实验报告课程名称：传感器与检测技术成绩：实验项目名称：实验（四）差动变面积式电容传感器实验时间：2011.10.07指导教师（签名）：班级：测控91 姓名：陈云学号：910707153实验目的:了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
实验环境:示波器和CSY-910型传感器实验仪：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表实验内容及过程:1、实验原理电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
2、旋钮初始位置差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。
3、实验步骤(1)根据图接线。
(2)将F/V表打到20V，调节测微头，使输出为零。
(3)转动测微头，每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。
X(mm)V(mV)(4)退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X(mm)及V(mv)值。
X(mm)V(mV)(5)计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。
实验结果及分析：每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数：X(mm) 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 12.0 12.1 12.2 12.3V(mV) 0.02 0.24 0.46 0.69 0.93 1.14 1.43 1.66 1.94 2.13 2.36退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X(mm)及V(mv)值：X(mm) 11.3 11.2 11.1 11.0 10.9 10.8 10.7 10.6 10.5 10.4 10.3V(mV) 0.02 -0.21 -0.45 -0.67 -0.91 -1.13 -1.40 -1.62 -1.91 -2.10 -2.18计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。
电容式传感器工作原理
电容式传感器工作原理电容式传感器是一种常用的传感器，它可以通过测量电容的变化来检测物体的位置、形状、湿度等信息。
在工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域都有着广泛的应用。
那么，电容式传感器是如何工作的呢？首先，我们需要了解电容的基本概念。
电容是指导体之间储存电荷的能力，通常用C来表示，单位是法拉（F）。
电容的大小与导体间的距离和导体的面积成正比，与介质的介电常数成反比。
在电容式传感器中，通常会有两个导体，它们之间通过介质隔开，形成一个电容。
当介质中的某些物理量发生变化时，导致电容的数值也会发生变化，从而实现对物理量的测量。
其次，电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现的。
以接近传感器为例，当有物体靠近传感器时，物体与传感器之间的介质会发生变化，导致电容的数值发生变化。
这种变化可以通过电路进行测量和处理，最终转化为我们需要的信号输出。
因此，电容式传感器可以通过测量电容的变化来实现对物体位置、形状等信息的检测。
另外，电容式传感器还可以应用于湿度检测。
在湿度传感器中，通常会使用一种吸湿性能较好的介质作为电容的一部分。
当介质吸收了空气中的水分时，导致电容的数值发生变化，通过测量这种变化可以实现对湿度的检测。
除了接近传感器和湿度传感器，电容式传感器还可以应用于触摸屏、位移传感器等领域。
在触摸屏中，电容式传感器可以通过测量人体与屏幕之间的电容变化来实现对触摸位置的检测。
而在位移传感器中，电容式传感器可以通过测量物体与传感器之间的电容变化来实现对位移的检测。
综上所述，电容式传感器是一种通过测量电容的变化来实现对物体位置、形状、湿度等信息检测的传感器。
它的工作原理是基于电容的变化，通过测量和处理电容的变化来实现对物理量的检测。
在工业自动化、汽车电子、医疗设备等领域都有着广泛的应用前景。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一种基于电容原理来检测环境参数变化的传感器。
其工作原理是利用电容器的两个带电极板之间的电场变化来确定外部环境的变化。
当电容式传感器处于静止状态时，电容器的两个带电极板之间形成一个稳定的电场。
此时，两个带电极板之间的电场强度是一定的。
当外部环境发生变化时，比如物体靠近或远离传感器，或是环境温度变化，会导致电容器的电场发生变化。
当有物体靠近传感器时，物体会对电容器的电场产生影响，使电场线密集，电场强度增加；而当物体远离传感器时，电场线稀疏，电场强度减小。
这样的变化会导致电容器的电容值发生相应变化。
通过测量电容值的变化，可以确定外部环境的变化。
一般情况下，电容式传感器会将电容值的变化转换成对应的电压或电流信号，并进一步处理和解读，以获取所需的环境参数信息。
需要注意的是，电容式传感器的工作需要一个恒定的电源供应以及合适的信号处理电路。
同时，在使用过程中还需要考虑到环境因素对电容值的影响，比如温度变化、湿度变化等，这些因素会造成一定的误差。
综上所述，电容式传感器通过测量电容值的变化来检测外部环境的参数变化，是一种常用的传感器类型。
它具有响应速度快、精度高等优点，在很多领域都有广泛的应用。
第4章 电容式传感器
V
235.6L
三、变极板间距(d)型
设初始电容为：
C0
0r S
d0
0S
d0
同济大学控制科学与工程系
当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：
C
C C0
0r S
d0 d
0r S
d0
0r S
d0
d d0 d
C0
d d0 d
电容的相对变化为： C d 1 C0 d0 1 d d0
C0
d0
d0
d0
d0
1 C C0 1 d
d0
灵敏度：
C 2d
C0
d0
非线性误差：
11/12
2 (d / d0 )3 100% ( d )2 100%
2(d / d0 )
d0
§4.2 电容式传感器的测量电路----等效电路 同济大学控制科学与工程系
等效阻抗 2 f
放电时间
T = -RC*ln(Vs/Vt)
U SC
U AP
U BP
C1 C1
C2 C2
U1
结论： 〈1〉输出直流电压 USC 具有线性输出特性； 〈2〉无须附加解调电路，而只需经低通滤波简单引出输出（自身能判向）； 〈3〉由于低通滤波对波形要求不高，故仅需一电压稳定度较高的直流电源， 比要求稳频稳幅的交流电易于做到。
去高次项得到其近似的线性关系：
C d
C0 d0
为了提高灵敏度，应使当d0 小些还是大些？当变间隙式 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？
电容传感器的静态灵敏度为
第4章电容式传感器
4.1 电
传感器 工
结构
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: 板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为:
式中: 式中: d ——电容极板间介质的介电常数 ε 电容极板间介质的介电常数, 其中ε ε——电容极板间介质的介电常数, = ε 0 ε r,其中ε0 为真空介电常数, 为极板间介质相对介电常数; 为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数; ——两平行板所覆盖的面积 两平行板所覆盖的面积; A——两平行板所覆盖的面积; ——两平行板之间的距离 两平行板之间的距离. d——两平行板之间的距离.
4.1电
传感器 工
结构
为防止击穿或短路, 为防止击穿或短路,极板间可采用高介电常数 的材料(云母,塑料膜等)作介质. 的材料(云母,塑料膜等)作介质.云母片的 相对介电常数是空气的7 相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于 kV/mm,而空气的仅为3kV/mm 3kV/mm. 1000 kV/mm,而空气的仅为3kV/mm.因此有 了云母片,极板间起始距离可大大减小. 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. 传感器的输出特性的线性度得到改善. 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20 变极距型电容式传感器的起始电容在20～ 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～ pF之间 极板间距离在25 200μm的范围内 之间, 25～ 的范围内, 30 pF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 1/10, 最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量 中应用最广. 中应用最广.
式中: 式中: ——空气介电常数 空气介电常数; ε ——空气介电常数; ——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C0 ——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即: 2πε H
电容式电压传感器工作原理
电容式电压传感器工作原理
电容式电压传感器的工作原理主要是基于电容的原理。
它利用电容作为测量元件，将电压或电流的变化转化为电容量的变化，再通过测量电路将电容量的变化转换为电信号，从而实现对电压或电流的测量。
具体来说，电容式电压传感器由电容、输入电路和测量电路组成。
电容是传感器的主要元件，其容量与输入电压或电流成正比。
当输入电压或电流发生变化时，电容的容量也会相应地发生变化。
输入电路的作用是将输入电压或电流转换为适合测量电路的信号。
它通常包括一个阻抗转换器，将输入电压或电流转换为相应的电流或电压信号。
测量电路的作用是测量电容量的变化并将其转换为电信号。
它通常包括一个振荡器和一个检测器。
振荡器产生一个交流信号，该信号被施加到电容上。
当电容的容量发生变化时，交流信号的幅度和相位也会发生变化。
检测器检测交流信号的变化并将其转换为相应的电信号。
最后，通过适当的处理和放大电路，将电信号转换为可用的输出电压或电流信号，从而实现对电压或电流的测量。
需要注意的是，电容式电压传感器的测量精度和响应速度受到多种因素的影响，如温度、机械应力和老化等。
因此，在使用过程中需要进行适当的校准和维护，以确保其测量精度和稳定性。
传感器原理与应用习题第4章电容式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？ 答：（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。
（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。
（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差？答：原因：灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比，用减少0δ的办法来提高灵敏度，但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式，可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。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？ 答：电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器，已知原始极距1δ＝2δ＝0.25mm ，极板直径D ＝38.2mm ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R ＝5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1＝60V 的电源电压，其频率为f ＝400Hz ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C ＝0.001μF 。
精品文档-传感器原理及应用(郭爱芳)-第4章
第4章 电容式传感器
4.1 工作原理及结构类型 4.2 信号调理电路 4.3 电容式传感器的应用 4.4 容栅式传感器 4.5 电容式集成传感器 思考题与习题
第4章 电容式传感器
4.1 工作原理及结构类型 4.1.1 工作原理
电容式传感器实质上是一个可变参数的电容器。由物理学 可知，用绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 (如图4.1所示)，当忽略边缘效应时，电容量可表示为
(b)为变极距式，图4.2(c)～(h)为变面积式，而图4.2(i)～ (l)则为变介电常数式。
第4章 电容式传感器 图4.2 电容式传感器的结构形式
第4章 电容式传感器
1. 变极距式 图4.3(a)为变极距式电容式传感器的原理图。图中下极 板固定不动，当上极板随被测量的变化上下移动时，两极板之 间的距离δ相应变化，从而引起电容量发生变化。 当传感器的ε和A为常数、初始间距为δ0时，由式(4.1) 可知初始电容量C0
C
A
g 0
(4.15)
0g 0
式中：εg——固体介质的相对介电常数(云母εg=7)；
δg、δ0——固体介质和空气隙的厚度。
第4章 电容式传感器 图4.5 放置固体介质的电容器
第4章 电容式传感器
2. 变面积式 图4.6为变面积式位移电容传感器的结构示意图。图 4.6(a)为直线位移型平板电容器的原理图，当两极板完全重 叠时，其电容量C0=εab/δ。当动极板移动Δx时，两极 板重叠面积减小，电容量也将减小。如果忽略边缘效应，可得 传感器的特性方程为
C0
A 0
(4.2)
第4章 电容式传感器 图4.3 变极距式电容传感器原理图及特性曲线
第4章 电容式传感器
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电容式传感器
一、单项选择题
1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变
B.增大一倍
C. 减小一倍
D.增大两倍
4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小
C．非线性误差增加 D．非线性误差不变
5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式
C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式
10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）
A．调频测量电路 B．运算放大器电路
C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路
12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍
A．1 B．2 C．3 D．0
三、填空题
1、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为的变化来实现对物理量的测量。
2、电容式传感器根据其工作原理的不同可分为电容式传感器、
电容式传感器和电容式传感器。
3、变极距型电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。
4、变极距型电容式传感器单位输入位移所引起的灵敏度与两极板初始间距成关系。
10、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）外是线性的。
四、简答题
1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？各适用于什么场合？
3、差动结构的电容传感器有什么优点？
6、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？
五、计算题
2、当差动式极距变化型的电容传感器动极板相对于定极板位移了△d=0.75mm时，若初始电容量C1=C2=80pF，初始距离d=4mm，试计算其非线性误差。
若将差动电容改为单只平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？
2、解：差动变极距型电容传感器非线性误差： 2
20d 0.75100%()100% 3.5%d 4δ∆=⨯=⨯= 单只平板电容，其非线性误差为：
0d 0.75100%100%18.75%d 4δ∆=⨯=⨯=。