电容式传感器概述.ppt
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电容式传感器的工作原理和结构课件
精度和稳定性
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
电容式传感器PPT课件
l1
C 22 (l l1) 21l1
d
ln( D ) ln( D )
D
d
d
ε1—被测液体介电常数 ε2—空气的介电常数 D、d—两同心圆柱的直径
l—柱体的有效总长度 l1——浸入液体的实际高度
C
2
ln( D
)
(1
2
)l1
d
K C 2 (1 2 )
l1 ln( D d )
第二节 电容传感器测量电路
5、新型电容式指纹传感器
FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器， 其外面是绝缘表面，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成 电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低， 这里指的是脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。 通过读取充、放电之后的电容差值，来获取指纹图像。该传感 器的生产采用标准CMOS技术，大小为15×15mm2，获取 的图像大小为300×300，分辨率为500DPI。FPS110提供有 与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器， 可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功 耗很低（<200mw），价格也比较便宜（人民币600元以 下）。下图为利用FPS110获取的指纹图象
5、新型电容式指纹传感器
电容传感器系列 创新应用
第五章小结
1、变极距型电容传感器 输出呈非线性关系，灵敏度与极距平方成反比， 适合检测微小位移。
2、变面积型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，适合检测较大的位移。 3、变介质型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，典型应用是检测液位。 4、检测电路
运算放大器检测电路和电桥检测电路
剂固定两个截面为T型的绝缘体，
电容式传感器PPT课件
通过测量电路取出两电容器的差值
C＝C1
C2
C0 2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
5
C ＝2 C0
d d0
1
d d0
2
d d0
4
C1
C0
1 1－ d
d0
C2
C0
1 1 d
d0
C1＝C0
1
d d0
d d0
2
d d0
3
C2＝C0
1
d d0
d d0
2
d d0
3
较小的d0会提高灵敏度，但过小容易引起击穿或短路，可 以极板间加入高介电常数材料，如云母。形成串联电容。
C0＝
0 r
d0
A
＝
0A
d0
Cg＝
0 g
dg
A
g 0
d0 dg
C CgC0
A
Cg C0
dg d0
0 g 0
εg—云母的相对介电常数，为7.
一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于 间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移 测量。
d d0
6
C 2 d
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
电容式传感器资料课件
软件校准
通过修改传感器的软件算 法，如补偿算法、滤波算 法等，来提高传感器的测 量精度。
综合校准
结合硬件和软件两种方式 ，对传感器进行全面校准 。
电容式传感器的标定实验及数据处理
实验设计
根据传感器的工作原理和实际应用场景，设 计标定实验方案。
数据采集
在实验过程中，采集传感器在不同条件下的 输出数据。
电容式传感器在温度测量中的应用
总结词
高精度、快速响应、稳定性好
详细描述
电容式传感器可将温度变化转化为电容量的变化，从而实现 对温度的精确测量。具有高精度、快速响应、稳定性好等优 点，适用于各种需要温度测量的场合，如环境监测、医疗设 备、工业生产等。
05
电容式传感器的校准与标 定
电容式传感器的误差来源及影响分析
展望电容式传感器的未来发展方向
高性能化 随着科技的不断进步，电容式传 感器的性能将不断提高，测量精 度和灵敏度将得到进一步提升。
微型化 随着微纳制造技术的发展，未来 的电容式传感器将更加微型化， 能够应用于更小的空间和更复杂 的场景。
智能化 未来的电容式传感器将更加智能 化，具备自校准、自补偿、自诊 断等功能，能够更好地适应复杂 环境下的测量需求。
电容式传感器所面临的挑战与对策
温度影响
电容式传感器的电容值会随温度变化而变化，给测量带来误差。为了减小温度影响，需要 采用温度补偿技术、选用具有良好温度特性的材料以及优化传感器结构设计等措施。
交叉灵敏
交叉灵敏是指电容式传感器对不同方向的干扰敏感，导致测量误差。为了减小交叉灵敏影 响，需要优化传感器结构设计、选用具有良好方向特性的材料以及采用信号处理技术等措 施。
电极材料
根据应用场景和敏感材料 选择电极材料，如金、银 、不锈钢等。
电容式传感器的工作原理及结构形式课件
新技术
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
05
电容式传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而 电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿 度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。 而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化， 改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量 的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板 的影响，从而检测加速度的变化。这种传感 器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领 域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的 影响，从而检测温度的变化。这种传感器广 泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的 影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单 ，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数 。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间 保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时， 传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化， 可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来 检测物理量，而电容式传感器则是通过 测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场 变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（ 如磁场、电流等）。而电容式传感器则是 利用电容器极板间电介质的变化，改变电 容器极板间的距离或相对面积，从而引起 电容量的变化，实现对物理量的检测。
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
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电容式传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而 电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿 度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。 而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化， 改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量 的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板 的影响，从而检测加速度的变化。这种传感 器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领 域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的 影响，从而检测温度的变化。这种传感器广 泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的 影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单 ，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数 。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间 保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时， 传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化， 可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来 检测物理量，而电容式传感器则是通过 测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场 变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（ 如磁场、电流等）。而电容式传感器则是 利用电容器极板间电介质的变化，改变电 容器极板间的距离或相对面积，从而引起 电容量的变化，实现对物理量的检测。
电容式位移传感器.ppt
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ或ε发生 变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参 数不变, 而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。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1
器有一个固有频率f0,
1
f0= 2[(C1C2C0)L]12
(3 - 20)
当被测信号不为 0 时, ΔC≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为
f2[c (1c1 2c0)L]12f0f
(3 - 21)
调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至 0.01 μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和 与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测 遥控。
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
电容式传感器49719ppt课件
此时，电桥输出电压
当Cx改变时， 容的变化值
电桥有输出电压，从而课测得电
精选PPT课件
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（2）差动接法
变压器电桥测验电路一般采用差 动连接，如图b所示。C1和C2一 差动形式接入相邻两个桥臂，另 外两个桥臂为初次线圈。在交流 电路中，C1和C2的阻抗非别为：
则有：
故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为：
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
精选PPT课件
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精选PPT课件
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二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后， 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
精选PPT课件
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2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为 电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
C bx
其 中 ， b 为 极 板 宽 度 ， x 为 位 移 ， 为 极 板 间 距 。
灵 敏 度 S C xb常 数
由 上 式 可 知 ， 面 积 变 化 型 线 位 移 传 感 器 的 输 出 C 与 其 输 入
（ 极 板 覆 盖 面 积 的 改 变 ） 呈 线 性 关 系 。
精选PPT课件
C
C
0
0
1
0
C C 0 0 1+ 0+ 0 2+ 精 选0P P3 T+ 课件 + 0 n
6
由 上 式 可 知 ， 被 测 参 数 引 起 的 极 距 变 化 与 电 容 的 变 化 C 之 间 的 关 系
是 非 线 性 的 ， 由 非 线 性 引 起 的 误 差 为
精选PPT课件
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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。
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项目四 电容式传感器 知识准备
电容式传感器传感元件
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(a)
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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
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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。
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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。
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。
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电容式传感器传感元件
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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
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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。
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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
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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
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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。
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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）
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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，
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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?
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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。
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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
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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
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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
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变介电常数式电容传感器的用途
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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。
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二、变极距式电容传感器
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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。