电容式传感器

器
度，4是平面电极，可用 于一些不能在内部插入电
容探头的容器内的液位测
量，如搅拌器。
.
10
2、电容式料位传感器
电
➢电容式料位变送器探头与容 容 器壁形成一个电容器。
式
➢电容极板（探头与容器壁） 的表面积、两极板之间的距离
传 及被测物料的介电常数决定电 容量的大小。
感 ➢当探头固定安装于容器端面
器
后，被测物料的介电常数不变 时，电容值仅取决于被测物料
位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传
感器的特性。
.
13
电
发射电极
容 驱动电极
式
传
接收电极
感 对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为
器
发射电极，外侧的防护环为接受电极；次电极为保 护环（驱动电极），与发射电极同电位；电力线必
须跨过驱动电极才能到达接受电极，因而扩大了测
量范围。
使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进
感
器
.
6
B、按结构分类
电
单体式
容 平板式
式
差动式
传
单体式
圆柱、圆筒式
感
差动式
器
C 2 r 0l
ln R
.
r
C r 0A
d
7
其他结构： 电
L
容
式
a
C r 0 L ln b
a
(b>>a)
两根导线之间的电容
b
传
感
L
器
x1
x2
x3
x4
x
d 存在屏蔽时同一平面上两 电极之间的电容
C0rLlnssiin n2 2h hd d(([[.xx12 xx33))c]c] ooss22dd hh((x[x[2 1 xx4 4))]]
的高度，并与物位成正比。
.
11
分段电容式物位计
电
容 式 传 感 器
可以确定物料到达的位置，
属于非连续测量。
.
12
3、非接触电容式位移传感器
电
容
式
传
感
器
•
非接触电容位移传感器可测量导体和绝缘体的位置 和移动参数，称为接近觉传感器。
• 对于导体：主电极为发射电极，被测物体为接受电
极，次电极为保护环（驱动电极），与主电极同电
电容影响。
.
3
二、分类
电 A、按工作原理分类
容
1、变间隙电容传感器 • 两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两
式
极板在被测参数作用下产生相对位移，引起
电容值变化。
传
• 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：
感
0.01微米）。
器
.
4
2、变面积电容传感器
电
常用的有角位移型和线位移型 两种。
▪与变间隙型相比，适用于较
8
三、应用
电 ➢ 测液位、测物位 ➢ 测微位移
容 ➢ 测压力、力、加速度等
式 1、液位测量
传 ✓1-部分或整体绝缘的棍电极；
✓3、4-拉紧或放松的绳电极：
感 如果容器壁由导电材料制成，则只需装入
电极1、3或4，容器壁作为另一电极与外壳
器
相连（接地）。 ✓如果容器壁由非金属材料制成，需一个
电极5配对，或用有内外电极的管式电极2
式 是物体本身。
传
与电容式位移传感器的不同之 处：
感 输出开关量。
器
.
16
电容式非金属材料厚度测量
电
容
式
传
感
器
原理：变等效介电常数
特点：非接触式测量
应用：纸张、. 绝缘薄膜等
17
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
18
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
19
特点
电 ➢ 高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的
入传感器间隙中，都将.影响测量结果。
14
电
容
移动、位移
式
位置、膨胀
振动、偏心 位置、膨胀
冲击、变形 轴向窜动
弯曲、波动 变形
传
感
器
偏心（同轴度）
阀门位移 活塞移动
压缩机叶片 间隙、转速
厚度、轮廓
电容位移传感器的应用实例
.
15
电容式接近开关
电
结构：测量头通常是构成电容 容 器的一个极板，而另一个极板
容 大角位移及直线位移的测量。
▪一般情况下，变截面积型电
式 容式传感器常做成圆柱形 。
传
感
器
.
5
3、变介电常数电容传感器 电 ▪这种传感器大多用于测量电介质的厚度
容
(图a)、位移(图b)、液位(图c)。 ▪可根据极板间介质的介电常数随温度、
式 湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、
传
湿度、容量(图d)等。
分辨率和灵敏度。
容 ➢ 输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量
就能改变电容极板的位置。
式 ➢ 电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定 。
传 ➢ 动态特性好： 活动零件少、质量小、固有频率高。
➢ 结构简单，环境适应性好：可以在振动、辐射环境下
感
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。
器
➢缺点：
电
第5章 电容式传感器
容
➢工作原理、分类及应用
式
➢主要特性参数
传
➢典型测量电路
➢电容式传感器的结构设计、温度影响
感
及抗干扰措施
器
.
1
电 §5·1 工作原理、分类及应用
容 一、基本工作原理
式
传 平板式电C容 ： s
感
δ
器 ε：介质介电常数
s ：极板面积
δ：极板间距离 .
s ε
2
一般 C： f(S,,)
电
被测物 理 ,S量 ,C
容
测量 电 U、 路 I、 f
式 思考: 电容传感器能测哪些物理量?
传 主要优、缺点：
感
优点：1）分辨率高；2）动态特性好；3）对被测构 件影响小；4）体积小；易于实现非接触测试；
器 5）检测头结构简单；环境适应性较强，可以在恶劣
环境下（高温、辐射、振动）工作。
缺点：1）量程小；2）输出阻抗高；3）易受分布
➢ 高输出阻抗和分布电容使其易受干扰。
➢ 变间隙型量程小，线性差。
.
20
§5.2 主要特性
电 一、特性曲线、灵敏度、非线性
容
1、变间隙式：
式
传
电容 C： Sr0S
δ s
ε
感
器
ε ：极板间介质介电常数 ε0：真空介电常数
εr：极板间介质相对介电常数
δ ：极板间距离
S ：极板面积
.
定极 板 动极 板
。
✓测量原理:电容器的上部为空气，下部为
液体。液位变化时，电容器的电容变化值
ΔC与被测材料的液位高度x成线性. 关系。
配对电极 双电极
9
液位监控:
电 ✓不需要探头的电容值在
整个高度范围内线性变化， 容 而是希望液位在达到极限
式
位置时开关量输出发生变 化。
传 ✓l和2是棍电极或绳电极，
3是侧面安装的棍电极， 感 倾斜安装可提高测试灵敏
21
灵敏度分析：
电
容
kCSC 2
式
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵
传 敏度愈高。
感
▪电容C与极板间距δ呈非线性关系。 ▪初始极板间距过小容易引起电容器击穿或短路---
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 容
CCC 00 s0s 非线性分析：
0s0 C 01 //0 0
式 传
C 1
C 0
0
1
0
感 器
CC 0 0 1 0 0 2