第5章电容传感器
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❖ 信号需放大。 ❖ 易受干扰、寄生电容影响。
第5章电容传感器22
三、等效电路分析
RRsC
L
RC：串联损耗电阻。引线、金属极板电阻等。
Rp：并联损耗电阻。直流漏电阻、气隙介质损
C
Rp 耗等。为并联大电阻，忽略。
L：电容器及引线电感。高频情况下需考虑。
1
jce
jL
1
jc
Ce
C
Ce
12LC Ce
第五章 电容式传感器
电容式液位计
电容式接近开关外形
聚四氟乙 烯外套
第五章 电容式传感器 §5.1 工作原理与分类 §5.2 主要特性 §5.3 测量电路 §5.4 电容式传感器的结构稳定 性及抗干扰问题 §5.5 电容式传感器应用
第5章电容传感器
§5.1 工作原理、分类
一、工作原理
Cs0rs
δ
s ε
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。 ▪初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间 可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。 ▪电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距将引起更 大非线性误差。 ▪所以，只适合于微位移的测量。
第5章电容传感器9
非线性分析：
C
C0
0
C2
0
S
0
C C 01 0 1 0 0 2
C C 02 0 1 0 0 2
C C 0 2 0 1 0 2 0 4 2 0
o非线性减小
o灵敏度提高一倍
第5章电容传感器14
改善传感器性能的措施
❖ 差动技术
✓ 传感器中普遍采用差动技术，减小温度变化、电 源波动、外界干扰等对传感器精度的影响。差动 技术可以减小非线性误差，增大灵敏度，抵消共 模误差。差动技术已在电阻应变式、电感式、电 容式等传感器中得到广泛的应用。
✓ 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 作用下发生位移，引起电容量 变化.
✓ 变间隙式一般用于微小位移的 测量（小至：0.01微米）。
第5章电容传感器4
2、变面积电容传感器
常用的有线位移型和角位移 型两种。 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 。
C 0 r s
第5章电容传感器7
§5·2 主要特性
一、特性曲线、灵敏度、非线性
1、变间隙式：
电容 C： Sr0S δ
s
ε： 极板间介质介电常数 ε0：真空介电常数 ε r:：极板间介质相对介电常数 δ ： 极板间距离 s ： 极板面积
定极板
ε
动极板
第5章电容传感器8
灵敏度分析：
kdcSc d 2
ε：介质介电常数； s ：极板面积；δ ：极板间距离
？上式中，哪几个参量是变量？ ？可以做成哪几种类型的电容传感器？
第5章电容传感器3
二、分类 (按工作原理分类)
✓ 改变s、δ、 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。
1、变间隙电容传感器
C
s 0
C
C0
1
1
0
C
C
1
C
C0
0
(1 )
0
若： 1 0
δ
δ
则 C ： C 0 0 1 0 02
略去二次方以： 上 CC 0 高 0次 1项 0第5章电容传感器10
用端基法求线性度：
△C/C0
端基直线方程： y bkx
其中： b＝0
ym
△δ
0
½△δm △ δm
（CC0） R S mCC0
适合于测量较大的直线位移和角位移。
第5章电容传感器16
第5章电容传感器17
3、变介电常数式：电容式液位计
c2lnD 1h2l(nHDh)
d
d
2H2(1 )h
lnD
lnD
d
d
ε1：液体介质的介电常数
ε0: 空气的介电常数；
H: 电极板的总长度；
d 、 D：电极板的内、外径；
第5章电容传感器18
第5章电容传感器19
另一种变介电常数的电容式传感器：
s
气隙
ε0ε r
δ
d
C0dSrd0
0S ddr
➢d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。
➢ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
第5章电容传感器20
电容式传感器的特点：
❖ 输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压
力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置， 因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。 精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现。
✓非线性误差随着δ0的减小而增大。 ✓为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常
规定测量范围 △δ<< δ0,，此时，传感器的灵敏度近似为 常数。
✓在实际应用中, 为了提高灵敏度、减小非线性误差, 大都
采用差动式结构。
第5章电容传感器12
差动电容结构分析：
第5章电容传感器13
C1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
S 0
m0
(1m0) m
实际特性与理论特性（与端基直线）之间的非线性误差绝
对值为：
y m0 (1 m m0) 0 (1 0)
第5章电容传感器11
最大非线性误差处满足：dy m2 0 d() 02 02
1
2
m
求得最大绝对误ym差 )L ： 14（ 02m2
相对误 ef 1 4 差 0m ： 10 % 0
❖ 电参量相对变化大。信噪比大，工作稳定
❖ 动态特性好。 活动零件少、质量小、本身自振
频率高。
❖ 结构简单，适应性好。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：
✓ 变间隙型输出特性的非线性较严重。
✓ 分布电容的影响较大，易受干扰。第5章电容传感器21
二、高阻抗、小功率
❖ 电容C小，小到约几个pf ❖ 容抗大，大到几十兆欧～几百兆欧 ❖ 视在功率小：mw级
第5章电容传感器5
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)。 ▪还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量 改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等
湿敏电容模块 及传感器外形
第5章电容传感器6
按结构分类 δ
平板式
S
圆柱、圆筒式
单体式： 差动式：
❖ 补偿与校正技术 （自动平衡补偿技术）
❖ 平均技术
❖ 屏蔽、隔离与干扰抑制
❖ 稳定性处理
❖ 集成化与智能化
第5章电容传感器15
2、变面积式
△x
b (a x)
b
δ
C C 0 x
b
a
b CCC 0 x
灵 敏 系 数 为 ： C b x
灵敏度为一常数，输出特性是线性的。
b↑、δ↓→k↑
第5章电容传感器22
三、等效电路分析
RRsC
L
RC：串联损耗电阻。引线、金属极板电阻等。
Rp：并联损耗电阻。直流漏电阻、气隙介质损
C
Rp 耗等。为并联大电阻，忽略。
L：电容器及引线电感。高频情况下需考虑。
1
jce
jL
1
jc
Ce
C
Ce
12LC Ce
第五章 电容式传感器
电容式液位计
电容式接近开关外形
聚四氟乙 烯外套
第五章 电容式传感器 §5.1 工作原理与分类 §5.2 主要特性 §5.3 测量电路 §5.4 电容式传感器的结构稳定 性及抗干扰问题 §5.5 电容式传感器应用
第5章电容传感器
§5.1 工作原理、分类
一、工作原理
Cs0rs
δ
s ε
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。 ▪初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间 可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。 ▪电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距将引起更 大非线性误差。 ▪所以，只适合于微位移的测量。
第5章电容传感器9
非线性分析：
C
C0
0
C2
0
S
0
C C 01 0 1 0 0 2
C C 02 0 1 0 0 2
C C 0 2 0 1 0 2 0 4 2 0
o非线性减小
o灵敏度提高一倍
第5章电容传感器14
改善传感器性能的措施
❖ 差动技术
✓ 传感器中普遍采用差动技术，减小温度变化、电 源波动、外界干扰等对传感器精度的影响。差动 技术可以减小非线性误差，增大灵敏度，抵消共 模误差。差动技术已在电阻应变式、电感式、电 容式等传感器中得到广泛的应用。
✓ 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 作用下发生位移，引起电容量 变化.
✓ 变间隙式一般用于微小位移的 测量（小至：0.01微米）。
第5章电容传感器4
2、变面积电容传感器
常用的有线位移型和角位移 型两种。 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 。
C 0 r s
第5章电容传感器7
§5·2 主要特性
一、特性曲线、灵敏度、非线性
1、变间隙式：
电容 C： Sr0S δ
s
ε： 极板间介质介电常数 ε0：真空介电常数 ε r:：极板间介质相对介电常数 δ ： 极板间距离 s ： 极板面积
定极板
ε
动极板
第5章电容传感器8
灵敏度分析：
kdcSc d 2
ε：介质介电常数； s ：极板面积；δ ：极板间距离
？上式中，哪几个参量是变量？ ？可以做成哪几种类型的电容传感器？
第5章电容传感器3
二、分类 (按工作原理分类)
✓ 改变s、δ、 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。
1、变间隙电容传感器
C
s 0
C
C0
1
1
0
C
C
1
C
C0
0
(1 )
0
若： 1 0
δ
δ
则 C ： C 0 0 1 0 02
略去二次方以： 上 CC 0 高 0次 1项 0第5章电容传感器10
用端基法求线性度：
△C/C0
端基直线方程： y bkx
其中： b＝0
ym
△δ
0
½△δm △ δm
（CC0） R S mCC0
适合于测量较大的直线位移和角位移。
第5章电容传感器16
第5章电容传感器17
3、变介电常数式：电容式液位计
c2lnD 1h2l(nHDh)
d
d
2H2(1 )h
lnD
lnD
d
d
ε1：液体介质的介电常数
ε0: 空气的介电常数；
H: 电极板的总长度；
d 、 D：电极板的内、外径；
第5章电容传感器18
第5章电容传感器19
另一种变介电常数的电容式传感器：
s
气隙
ε0ε r
δ
d
C0dSrd0
0S ddr
➢d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。
➢ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
第5章电容传感器20
电容式传感器的特点：
❖ 输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压
力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置， 因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。 精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现。
✓非线性误差随着δ0的减小而增大。 ✓为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常
规定测量范围 △δ<< δ0,，此时，传感器的灵敏度近似为 常数。
✓在实际应用中, 为了提高灵敏度、减小非线性误差, 大都
采用差动式结构。
第5章电容传感器12
差动电容结构分析：
第5章电容传感器13
C1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
S 0
m0
(1m0) m
实际特性与理论特性（与端基直线）之间的非线性误差绝
对值为：
y m0 (1 m m0) 0 (1 0)
第5章电容传感器11
最大非线性误差处满足：dy m2 0 d() 02 02
1
2
m
求得最大绝对误ym差 )L ： 14（ 02m2
相对误 ef 1 4 差 0m ： 10 % 0
❖ 电参量相对变化大。信噪比大，工作稳定
❖ 动态特性好。 活动零件少、质量小、本身自振
频率高。
❖ 结构简单，适应性好。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：
✓ 变间隙型输出特性的非线性较严重。
✓ 分布电容的影响较大，易受干扰。第5章电容传感器21
二、高阻抗、小功率
❖ 电容C小，小到约几个pf ❖ 容抗大，大到几十兆欧～几百兆欧 ❖ 视在功率小：mw级
第5章电容传感器5
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)。 ▪还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量 改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等
湿敏电容模块 及传感器外形
第5章电容传感器6
按结构分类 δ
平板式
S
圆柱、圆筒式
单体式： 差动式：
❖ 补偿与校正技术 （自动平衡补偿技术）
❖ 平均技术
❖ 屏蔽、隔离与干扰抑制
❖ 稳定性处理
❖ 集成化与智能化
第5章电容传感器15
2、变面积式
△x
b (a x)
b
δ
C C 0 x
b
a
b CCC 0 x
灵 敏 系 数 为 ： C b x
灵敏度为一常数，输出特性是线性的。
b↑、δ↓→k↑