电容式传感器
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第5章 电容式传感器
电
容 器式
➢工作原理、分类及应用 ➢主要特性参数 ➢典型测量电路
传
➢电容式传感器的结构设计、温度影响
感
及抗干扰措施
1
§5·1 工作原理、分类及应用
电
一、基本工作原理
容
器式
传
平板式电容：C s
感
δ
ε：介质介电常数
s ε
s ：极板面积
δ：极板间距离
2
电
容 器式
传 感
一般：C f (S, , )
6
B、按结构分类
电
容 器式
传 感
单体式 平板式
差动式
单体式
圆柱、圆筒式
差动式
C 2 r 0l
ln R r
C r 0A
d
7
其他结构：
电Байду номын сангаас
L
容 器式
a
C
r
ln
0
b
L
a
(b>>a)
两根导线之间的电容
b
传
d 存在屏蔽时同一平面上两
感
L
x1
x2
x
x3
x4
电极之间的电容
C
0 r
L
ln
sinh[ 2d
sinh[
2d
( x1 ( x2
x3
)]c
osh[ 2d
x3
)]c
os
h[
2d
( x2 ( x1
x4 )] x4 )]
8
三、应用
电
容 器式
传 感
➢ 测液位、测物位
➢ 测微位移
➢ 测压力、力、加速度等
1、液位测量
✓1-部分或整体绝缘的棍电极； ✓3、4-拉紧或放松的绳电极： 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 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 。 ✓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。
16
电
容 器式
传 感
电容式非金属材料厚度测量
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
电
容 器式
传 感
其他应用
18
电
容 器式
传 感
其他应用
19
特点
电
容 器式
传 感
➢ 高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的
分辨率和灵敏度。
➢ 输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量
电
容 器式
传 感
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 器式
传
感 • 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
位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传
10
2、电容式料位传感器
电
容 器式
传 感
➢电容式料位变送器探头与容 器壁形成一个电容器。
➢电容极板（探头与容器壁） 的表面积、两极板之间的距离 及被测物料的介电常数决定电 容量的大小。
➢当探头固定安装于容器端面 后，被测物料的介电常数不变 时，电容值仅取决于被测物料 的高度，并与物位成正比。
11
分段电容式物位计
就能改变电容极板的位置。
➢ 电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定 。 ➢ 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
工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。
➢缺点：
➢ 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
被测物理量 , S, C
测量电路 U、I、f
思考: 电容传感器能测哪些物理量? 主要优、缺点：
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； 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 电容影响。
▪与变间隙型相比，适用于较 大角位移及直线位移的测量。
▪一般情况下，变截面积型电 容式传感器常做成圆柱形 。
5
电
容 器式
传 感
3、变介电常数电容传感器 ▪这种传感器大多用于测量电介质的厚度 (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、 湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、 湿度、容量(图d)等。
3
电
容 器式
传 感
二、分类
A、按工作原理分类
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 极板在被测参数作用下产生相对位移，引起 电容值变化。 • 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至： 0.01微米）。
4
电
容 器式
传 感
2、变面积电容传感器
常用的有角位移型和线位移型 两种。
14
电
容 器式
传 感
移动、位移 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
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
容 器式
传 感
结构：测量头通常是构成电容 器的一个极板，而另一个极板 是物体本身。
与电容式位移传感器的不同之 处： 输出开关量。
配对电极 双电极
9
电
容 器式
传 感
液位监控:
✓ 不需要探头的电容值在 整个高度范围内线性变化， 而是希望液位在达到极限 位置时开关量输出发生变 化。 ✓l和2是棍电极或绳电极， 3是侧面安装的棍电极， 倾斜安装可提高测试灵敏 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。
进一步分析： 22
电
容 器式
传 感
C
C C0
s 0
s 0
非线性分析：
s 0 0
感器的特性。
13
电
发射电极
容 器式
传 感
驱动电极 接收电极
对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为
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
入传感器间隙中，都将影响测量结果。
一、特性曲线、灵敏度、非线性
电
定极
容
1、变间隙式：
板
器 式 电容：C S r0S
δε
动极 板
传
s
感 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
21
灵敏度分析：
电
容 器式
传 感
k C S C 2
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵 敏度愈高。 ▪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---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。
电
容 器式
➢工作原理、分类及应用 ➢主要特性参数 ➢典型测量电路
传
➢电容式传感器的结构设计、温度影响
感
及抗干扰措施
1
§5·1 工作原理、分类及应用
电
一、基本工作原理
容
器式
传
平板式电容：C s
感
δ
ε：介质介电常数
s ε
s ：极板面积
δ：极板间距离
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电
容 器式
传 感
一般：C f (S, , )
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B、按结构分类
电
容 器式
传 感
单体式 平板式
差动式
单体式
圆柱、圆筒式
差动式
C 2 r 0l
ln R r
C r 0A
d
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其他结构：
电Байду номын сангаас
L
容 器式
a
C
r
ln
0
b
L
a
(b>>a)
两根导线之间的电容
b
传
d 存在屏蔽时同一平面上两
感
L
x1
x2
x
x3
x4
电极之间的电容
C
0 r
L
ln
sinh[ 2d
sinh[
2d
( x1 ( x2
x3
)]c
osh[ 2d
x3
)]c
os
h[
2d
( x2 ( x1
x4 )] x4 )]
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三、应用
电
容 器式
传 感
➢ 测液位、测物位
➢ 测微位移
➢ 测压力、力、加速度等
1、液位测量
✓1-部分或整体绝缘的棍电极； ✓3、4-拉紧或放松的绳电极： 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 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 。 ✓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。
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电
容 器式
传 感
电容式非金属材料厚度测量
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
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电
容 器式
传 感
其他应用
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电
容 器式
传 感
其他应用
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特点
电
容 器式
传 感
➢ 高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的
分辨率和灵敏度。
➢ 输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量
电
容 器式
传 感
可以确定物料到达的位置， 属于非连续测量。
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3、非接触电容式位移传感器
电
容 器式
传
感 • 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
位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传
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2、电容式料位传感器
电
容 器式
传 感
➢电容式料位变送器探头与容 器壁形成一个电容器。
➢电容极板（探头与容器壁） 的表面积、两极板之间的距离 及被测物料的介电常数决定电 容量的大小。
➢当探头固定安装于容器端面 后，被测物料的介电常数不变 时，电容值仅取决于被测物料 的高度，并与物位成正比。
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分段电容式物位计
就能改变电容极板的位置。
➢ 电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定 。 ➢ 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
工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。
➢缺点：
➢ 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。
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§5.2 主要特性
被测物理量 , S, C
测量电路 U、I、f
思考: 电容传感器能测哪些物理量? 主要优、缺点：
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； 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 电容影响。
▪与变间隙型相比，适用于较 大角位移及直线位移的测量。
▪一般情况下，变截面积型电 容式传感器常做成圆柱形 。
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电
容 器式
传 感
3、变介电常数电容传感器 ▪这种传感器大多用于测量电介质的厚度 (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、 湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、 湿度、容量(图d)等。
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电
容 器式
传 感
二、分类
A、按工作原理分类
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 极板在被测参数作用下产生相对位移，引起 电容值变化。 • 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至： 0.01微米）。
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电
容 器式
传 感
2、变面积电容传感器
常用的有角位移型和线位移型 两种。
14
电
容 器式
传 感
移动、位移 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
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
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电容式接近开关
电
容 器式
传 感
结构：测量头通常是构成电容 器的一个极板，而另一个极板 是物体本身。
与电容式位移传感器的不同之 处： 输出开关量。
配对电极 双电极
9
电
容 器式
传 感
液位监控:
✓ 不需要探头的电容值在 整个高度范围内线性变化， 而是希望液位在达到极限 位置时开关量输出发生变 化。 ✓l和2是棍电极或绳电极， 3是侧面安装的棍电极， 倾斜安装可提高测试灵敏 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。
进一步分析： 22
电
容 器式
传 感
C
C C0
s 0
s 0
非线性分析：
s 0 0
感器的特性。
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电
发射电极
容 器式
传 感
驱动电极 接收电极
对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为
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
入传感器间隙中，都将影响测量结果。
一、特性曲线、灵敏度、非线性
电
定极
容
1、变间隙式：
板
器 式 电容：C S r0S
δε
动极 板
传
s
感 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
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灵敏度分析：
电
容 器式
传 感
k C S C 2
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵 敏度愈高。 ▪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---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。