电容式传感器

课题

第四章电容式传感器

第一节电容式传感器的基本概念及主要特

点

第二节电容式传感器的工作原理及结构形

式

课型

新课

授课班级授课时数 2

教学目标1．理解电容式传感器的基本概念和特点。2．掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。

教学重点1．电容式传感器的基本概念。

2．电容式传感器的工作原理及3种结构形式。

教学难点

三种类型电容式传感器的电容变化量计算。学情分析

教学效果

新授课

教后记

A 、复习

电阻式传感器。

B 、新授课

第一节 电容式传感器的基本概念及主要特点

一、基本概念

电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。

二、主要特点

① 结构简单，易于制造。

② 功率小、阻抗高、输出信号强。 ③ 动态特性良好。 ④ 受本身发热影响小。

⑤ 可获得比较大的相对变化量。 ⑥ 能在比较恶劣的环境中工作。 ⑦ 可进行非接触式测量。

⑧ 电容式传感器的不足之处。主要是寄生电容影响比较大；输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。

（提问）

（与电阻是对比介绍）

（简要分析原因）

第二节

电容式传感器的工作原理及结构形式

一、工作原理

电容式传感器的工作原理可以从图4 - 1所示的平板式电容器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

δ

A

εC =

式中，A ——两极板相互遮盖的面积（mm 2） δ——两极板之间的距离 （mm ） ε——两极板间介质的介电常数（F / m ）

由以上计算公式可见，当被测量使A ，δ，ε三个参数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。

二、结构形式

1．变面积（A ）型电容式传感器

变面积型电容传感器的结构原理如图4 - 2所示。图中（a ）、（b ）为单边式，（c ）为差分式；（a ）、（b ）也可做成差分式。图中1，3为固定板，2是与被测物相连的可动板，当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C 发生变化。

对于如图4 – 2（a ）所示的平板式单边直线位移式传感器，若忽略边缘效应，其电容变化量为

a

a C a

b εb a a εb a εC ΔΔ)Δ(0==--=δδδ

4 - 2 变面积型电容式传感器结构原理图

（a ）单边直线位移式 （b ）单边角位移式 （c ）差分式

式中，b ——极板宽度

a ——极板起始遮盖长度 Δa ——动极板位移量

ε——两极板间介质的介电常数 δ——两极板间的距离 C 0——初始电容量

这种平极单边直线位移传感器的灵敏度S 为

S = ΔC / d x = ε b / δ = 常数

对于如图4 - 2（b ）所示的单边角位移型传感器，若忽略边缘效应，则电容变化量为

（讲解）

（讲解）

图4 - 1 平板式电容器

()α

αδαδααδαΔ2Δ2Δ2022C r εr εr εC ==--=∆

式中，α——覆盖面积对应的中心角度 r ——极板半经 ∆α——动极板的角位移量 这种单边角位移式传感器的灵敏度为 δθπd Δ0A εC S =

= 式中，A 0——电容器起始覆盖面积 θ——动板的角位移量 实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差分式，如图4 - 2（c ）所示。中间的极板2为动板，上、下两块（即板1和3）为定板。当动板向上移动一个距离x 后，上极距就要减少一个x ，而下极距就要增加一个x ，从而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一倍。 2．变极距（δ）型电容式传感器 图4 - 3为变极距型电容式传感器结构原理图。图中1和3为固定极板，2为可动极板（或相当于可动极板的被测物），其位移由被测物体带动。从图4 - 3（a ），（b ）可看出，当可动极板由被测物带动向上移动（即δ减小）时，电容值增大，反之电容值则减小。

图4 - 3 变极距型电容式传感器结构原理图 （a ）被测物与可动极板相连 （b ）被测物为可动极板 （c ）差分式 设极板面积为A ，初始距离为δ0，以空气为介质时，电容量C 0为C 0 = ε0A / δ0。 当间隙δ0减小 ∆δ变为δ时（设 ∆δ << δ0），电容C 0增加 ∆C 变为C ，即 ()()000001δδδδε/C A C C C ∆-=

∆-=∆+= 电容C 与间隙δ之间的变化特性如图4 - 4所示。电容式传感器的灵敏度用S 表示，其计算公式为 2d d δεδA C S ==

在实际应用时，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图4 - 3（c ）所示的差分式结构。这种差分式传感器与非差分式的相比，灵敏度可提高一倍，并且非线性

（讲解）

（区别三种变面积型电容式

传感器）

（讲解）

图4 - 4 C —δ 特性曲线图

误差可大大降低。差分式电容式传感器的灵敏度计算公式为

S （差）= ∆C / C = 2∆δ / δ。

3．变介电常数（ε）型电容式传感器

变介电常数型电容式传感器的结构原理如图4 - 5所示。其中图（a ）中的两平行极板为固定板，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变了两种介质极板的覆盖面积。于是传感器总的电容量C 应等于两个电容C 1和C 2的并联之和，即

()[]l εl l εb εC C C 2r 01r 00021+-⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=+=δ

图4 - 5 变介电常数型电容式传感器

（a ）电介质插入式 （b ）绝缘物位检测

式中，l 0，b 0——极板的长度和宽度

l ——第二种介质进入极板间的长度

当介质1为空气，l = 0时，传感器的初始电容C 0 = ε0 εr l 0 b 0 / δ0；当介质2进入极板间l 距离后，所引起电容的相对变化为

()02r 0001Δl l

εC C C C C -=

-= 可见，电容的变化与介质2的移动量l 成线性关系。

上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图4 - 5（b ）所示，将电容器极板插入被监测的介质中。随着灌装量的增加，极板覆盖面也随之增大，从而测出输出的电容量。根据输出电容量的大小即可判定灌装物料的高度l 。

说明：当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防止电极间短路。

（讲解）

练习

思考题与习题 4 - 1、4 - 2、4 - 3