电容式传感器原理介绍

§3.1 电容式传感器工作原理和结构

§3.2 电容式传感器等效电路

§3.3 电容式传感器测量电路

§3.4 电容式传感器应用

2

电容极板间介质的介电常数，真空介电常数，εr 极板间介质的相对介电

两平行板所覆盖的面积；板之间的距离。

d

A

d

A

C r εεε0=

=

仅改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

3

一、基本工作原理

电容式传感器的三种类型：

变极距型、变面积型和变介电常数型。

(l )

4

ΔC ，则有

2

00000000111⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛Δ−⎟⎟⎠⎞

⎜⎜⎝⎛Δ+=Δ−=Δ−=

Δ+=d d d d C d d C d

d S

C C C r εε0

0d d C C C Δ+=C 与Δd 近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在Δd/d 0很小时，才有近似的线性关系。

5

二、变极距型电容传感器

)11(000

d d d d C C Δ−Δ=Δ当|Δd/d 0|<<1时，级数展开有

输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+Δ+Δ=Δ 3

0200001d d d d d d

d d C C %100%100|/|)/(0

020×Δ=×ΔΔ=

d d d d d d δ6

电容传感器的灵敏度为

01

/d d C C K =

ΔΔ=3、灵敏度

单位输入位移所引起的输出

电容相对变化的大小与d 0呈反比关系。

d

d

C

C Δ≈

Δ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。

变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。

20

1

/11

/11

d

d C

C

d d C C Δ+=Δ−=

电容值相对变化量为

⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+Δ=Δ 4

0200012d d d d d d C C ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ+Δ=−=Δ 5030002

12d d d d d d C C C C 0

02d d

C C Δ≈Δ

差动式传感器的灵敏度为

%100%100|/|2|

)/(|22

003

0×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛Δ=×ΔΔ=d d d d d d δ0

02

/d d C C K =

ΔΔ=差动式结构的电容传感器非线性

误差大大降低，灵敏度增加了一倍。

a

x C C

C C C Δ=−=Δ000传感器的电容量与水平位移呈线

性关系。

11

L

a

C C C C C =−=Δ000传感器的电容量与内筒线位移呈

线性关系。

当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容相对变化量为

d

D L C ln 20πε=

π

θ

=−=Δ000C C C C C 传感器的电容量与角位移呈线性

关系。

当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。0

d

A C

ε=

传感器的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。

当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。

ε

ε

x

x

d d d ab

C +−=

()1

2

12

21

1

1

1εεεd d x l b d d bx

C C C B A +−++

=+=传感器的电容量与位移呈线性关系。

插入介质ε2后的电容量

2

11

0d d bl

C +=ε

变换器的电容增量正比于被测液位高度。

d

D n h C d D n h d D n H d D n h H d D n h C 1)(21)(2121)(21210111εεπεεππεεππε−+

=−+=−+

=C 2

C 1

C

16

考虑了电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路。

一、电容式传感器等效电路

根据等效电路，电容式传感器有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率

等于或接近谐振频率时，谐

振频率破坏传感器正常作用。

因此，工作频率应该选择低于谐振频率。

并联损耗电阻R p ：

表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。并联损耗低频时影响大，随着工作频率

增高，容抗减小，影响就减弱。

串联损耗电阻R s ：

引线电阻、电容器支架和极板电阻

的损耗。电感L ：电容器的电感和外部引线电感。17