第三章 电容式传感器ppt课件
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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
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
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
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。
电容式传感器资料课件
工作原理
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
《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
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：
电容式传感器教学课件
THANKS
感谢观看
电容式传感器在物联网领域的应用前景
01
02
03
智能家居
用于监测家庭环境参数， 如温度、湿度、空气质量 等，实现智能家居的自动 化控制。
医疗健康
用于监测人体生理参数， 如心率、血压、呼吸等， 为医疗诊断和治疗提供数 据支持。
工业自动化
用于监测工业设备的运行 状态和工作参数，提高设 备的可靠性和安全性。
。
电容式传感器的制造工艺流程
绝缘层制作
阐述如何制备电容传感器的绝 缘层，包括材料选择、涂覆工 艺和加工方法。
敏感层制作
阐述如何制备电容传感器的敏 感层，包括材料选择、涂覆工 艺和热处理方法。
制造工艺流程概述
介绍电容式传感器的制造工艺 流程及各环节的主要内容。
电极制作
介绍如何制备电容传感器的电 极，包括材料选择、加工方法 和焊接工艺。
电容式传感器教学课件
目录
• 电容式传感器概述 • 电容式传感器的设计与制造 • 电容式传感器的性能测试与校准 • 电容式传感器的应用实例 • 电容式传感器的未来发展与挑战
01
电容式传感器概述
电容式传感器的定义与工作原理
定义
电容式传感器是一种利用电容原 理检测物理量变化的传感器。
工作原理
通过改变电容器极板间距、面积 或介电常数等参数，使得电容值 发生变化，从而检测被测量物体 的变化。
阶跃响应
测量电容式传感器在阶跃输入下的输出响应 ，以评估其动态响应速度和稳定性。
动态范围
测量电容式传感器在不同动态范围内的输出 响应，以评估其动态测量范围。
电容式传感器的校准方法与步骤
校准前的准备工作
检查电容式传感器的 外观、连接线路和电 源等是否正常。
相关主题
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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。
第三章 电容式传感器
3.1 工作原理及特性 3.2 测量电路 3.3 实际中存在的问题及解决方法 3.4 应用举例
.
3.1 工作原理及特性
电容式传感器是将被测参数变换成电容量的一种传感器， 它的转换元件实际上就是一个具有可变参数的电容器。
用两块金属平板作电极，即可构成最简单的电容器。当 忽略边缘效应时，其电容量为
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
C0
S d0
.
当被测量的变化引起间距减小了Δd时，电容量就变为
当传感器被近似看做线性时，其灵敏度为
K C C0 d d0
dS02
由上式可见，增大S和减小d0均可提高传感器的灵敏度， 但受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小
的△d，d0越小则△d／d0越大，由此造成的非线性误差也 越大。
.
2. 差动结构 差动结构的变间隙电容传感器采用两块定级板，在两
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 R
r
C 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
几十皮法)，因此不便直接显示、记录，更难以传输。
为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，
并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量
电路的种类很多，大致可归纳为调幅型电路、脉宽调
制型电路和调频型电路三大类，以下分别作简要介绍。
.
一、调幅型测量电路 这种测量电路输出的是幅值正比于或近似正比于被测信
为d，待测材料厚度为x，介电常数为εx，另一种介质的介 电常数为ε。
.
该电容器的总电容C等于两种介质分别组成的两个电容 C1与C2的串联，即
测出输出电容C的值，即可由上式求出待测材料的厚 度x。实际上，若x已知，也可将此传感器用做介电常数εx 测量仪。
.
3.2 测量电路
•
电容式传感器的输出电容值非常小(通常几皮法至
CS 0rS
dd
式中 S—两极板间相互覆盖的面积，m2； d—两极板间的距离，m； ε—两极板间介质的介电常数，F， F／m；
εr—两极板问介质的相对介电常数，εr=ε/ε0 .
对于空气介质εr≈1。由式(3-1)可见，电容量 C的大小与S、d和ε有关，若保持这三个参数中 的两个不变而改变另一个，则C就会发生变化。
这实际上就是电容式传感器的基本原理。根据发 生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为 三种类型。
1、变面积型 2、变介质介电常数型 3、变极板间距（d）型
一、变面积型 变面积型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。根据动 极板相对定极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为角 位移式和直线位移式两种。
可见电容量C与直线位移x也呈线性关系，灵敏度为
显然，减小两极板间的距离d，增大极板的宽度b可提
高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限 制，而增大b受到传感器体积的限制。
需要说明的是，位移x不能太大，否则边缘效应会使 传感器的特性产生非线性变化。
变面积型电容传感器还可以做成其他多种形式，常 用来检测位移等参数。 .
C0Cd0SddS 011d1C 0d
d0
d0
于是
d
C C0
1
d0
d
d0
当Δd<<d0时，上式可以展开为级数形式
C d[1 d( d)2( d)3]
C d0 d0 d0
d0
.
显然，ΔC/C0与△d之间是非线性关系，只有当等 Δd/d0《1时，忽略式中的高次项，才能近似为线性关系。
C d C0 d0
者之间放一块动极板，如图所示。 设动极板在初始位置时与两个定级板的间距均为d0，
当动极板在被测量的作用下向上移动了距离△d时，两个电
容器的间距分别变为d0-Δd和d0+Δd，其电容分别变为
.
当△d《d0时，有 电容总的变化量为
.
电容的相对变化量为
忽略式中的高次项
C d
2
C0
d0
显然差动结构的非线性误差小了一个数量级,此时传感
器的灵敏度为
KC2C0 2S
d d0 d02
可见采用差动结构可使传感器的灵敏度提高一倍。由 于差动结构的变间隙型电容传感器既提高了灵敏度，又减 小了非线性误差，所以在实际应用中大都采用之。
.
三、变介电常数型 变介电常数型电容传感器常用来检测容器中液面的
高度，或片状材料的厚度等。下面分别通过这两种应用， 介绍此类电容传感器的原理。
1．电容式液面计 图所示是一种电容式
液面计的原理图。在介电 常数为εx的被测液体中， 放入两个同心圆筒状电极， 液体上面气体的介电常数 为ε，液体浸没电极的高度 就是被测量x。
.
该电容器的总电容C，等 于介质为气体部分的电容C1 与介质为液体部分的电容C2 的并联，即C=C1+C2。
C1
2 (h ln R
.
1.角位移式
工作原理如图所 示。当被测量的变化引 起动极板有一角位移θ 时，两极板间相互覆盖 的面积就改变了，从而 也就改变了两极板间的 电容量C。
.
当θ=0时，初始电容量为
当θ≠0时，电容量就变为
由式可见，电容量C与角位移θ呈线性关系。
2．直线位移式
.
工作原理如图所示。当被测量的变化引起动极板 移动距离x时，则S发生变化，C也就改变了。
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
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。
第三章 电容式传感器
3.1 工作原理及特性 3.2 测量电路 3.3 实际中存在的问题及解决方法 3.4 应用举例
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3.1 工作原理及特性
电容式传感器是将被测参数变换成电容量的一种传感器， 它的转换元件实际上就是一个具有可变参数的电容器。
用两块金属平板作电极，即可构成最简单的电容器。当 忽略边缘效应时，其电容量为
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
C0
S d0
.
当被测量的变化引起间距减小了Δd时，电容量就变为
当传感器被近似看做线性时，其灵敏度为
K C C0 d d0
dS02
由上式可见，增大S和减小d0均可提高传感器的灵敏度， 但受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小
的△d，d0越小则△d／d0越大，由此造成的非线性误差也 越大。
.
2. 差动结构 差动结构的变间隙电容传感器采用两块定级板，在两
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 R
r
C 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
几十皮法)，因此不便直接显示、记录，更难以传输。
为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，
并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量
电路的种类很多，大致可归纳为调幅型电路、脉宽调
制型电路和调频型电路三大类，以下分别作简要介绍。
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一、调幅型测量电路 这种测量电路输出的是幅值正比于或近似正比于被测信
为d，待测材料厚度为x，介电常数为εx，另一种介质的介 电常数为ε。
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该电容器的总电容C等于两种介质分别组成的两个电容 C1与C2的串联，即
测出输出电容C的值，即可由上式求出待测材料的厚 度x。实际上，若x已知，也可将此传感器用做介电常数εx 测量仪。
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3.2 测量电路
•
电容式传感器的输出电容值非常小(通常几皮法至
CS 0rS
dd
式中 S—两极板间相互覆盖的面积，m2； d—两极板间的距离，m； ε—两极板间介质的介电常数，F， F／m；
εr—两极板问介质的相对介电常数，εr=ε/ε0 .
对于空气介质εr≈1。由式(3-1)可见，电容量 C的大小与S、d和ε有关，若保持这三个参数中 的两个不变而改变另一个，则C就会发生变化。
这实际上就是电容式传感器的基本原理。根据发 生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为 三种类型。
1、变面积型 2、变介质介电常数型 3、变极板间距（d）型
一、变面积型 变面积型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。根据动 极板相对定极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为角 位移式和直线位移式两种。
可见电容量C与直线位移x也呈线性关系，灵敏度为
显然，减小两极板间的距离d，增大极板的宽度b可提
高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限 制，而增大b受到传感器体积的限制。
需要说明的是，位移x不能太大，否则边缘效应会使 传感器的特性产生非线性变化。
变面积型电容传感器还可以做成其他多种形式，常 用来检测位移等参数。 .
C0Cd0SddS 011d1C 0d
d0
d0
于是
d
C C0
1
d0
d
d0
当Δd<<d0时，上式可以展开为级数形式
C d[1 d( d)2( d)3]
C d0 d0 d0
d0
.
显然，ΔC/C0与△d之间是非线性关系，只有当等 Δd/d0《1时，忽略式中的高次项，才能近似为线性关系。
C d C0 d0
者之间放一块动极板，如图所示。 设动极板在初始位置时与两个定级板的间距均为d0，
当动极板在被测量的作用下向上移动了距离△d时，两个电
容器的间距分别变为d0-Δd和d0+Δd，其电容分别变为
.
当△d《d0时，有 电容总的变化量为
.
电容的相对变化量为
忽略式中的高次项
C d
2
C0
d0
显然差动结构的非线性误差小了一个数量级,此时传感
器的灵敏度为
KC2C0 2S
d d0 d02
可见采用差动结构可使传感器的灵敏度提高一倍。由 于差动结构的变间隙型电容传感器既提高了灵敏度，又减 小了非线性误差，所以在实际应用中大都采用之。
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三、变介电常数型 变介电常数型电容传感器常用来检测容器中液面的
高度，或片状材料的厚度等。下面分别通过这两种应用， 介绍此类电容传感器的原理。
1．电容式液面计 图所示是一种电容式
液面计的原理图。在介电 常数为εx的被测液体中， 放入两个同心圆筒状电极， 液体上面气体的介电常数 为ε，液体浸没电极的高度 就是被测量x。
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该电容器的总电容C，等 于介质为气体部分的电容C1 与介质为液体部分的电容C2 的并联，即C=C1+C2。
C1
2 (h ln R
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1.角位移式
工作原理如图所 示。当被测量的变化引 起动极板有一角位移θ 时，两极板间相互覆盖 的面积就改变了，从而 也就改变了两极板间的 电容量C。
.
当θ=0时，初始电容量为
当θ≠0时，电容量就变为
由式可见，电容量C与角位移θ呈线性关系。
2．直线位移式
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工作原理如图所示。当被测量的变化引起动极板 移动距离x时，则S发生变化，C也就改变了。
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