第三章电容式传感器

第三章 电容式传感器
内容提要
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 第二节 误差的因素及改进措施 第三节 电容式传感器的测量电路 第四节 电容传感器的应用举例
学习目标
掌握电容传感器类型及各种类型的工作原 理；了解输出特性及减少线性误差的措施；了 解误差的影响因素及改进措施 ；掌握各种测 量电路及工作原理；熟悉电容传感器应用。
大了ΔC
CC0
C A
d0 d
C0 1d d0
C01dd02 1dd0第三章电容式变传极感器距
第三章 电容式传感器
C
若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则：
C C 1C 1
C
C0 1
d d0
1
d d0
2
C0
C0
d d0
C d
C 2C 2 OO
d 1d 1 d 2 d 2
x l
1 1 2
d1 1
d2 2
C
C0
x l
1 1 2
d1 1
d2 2
电容变化量与电介质移动量 x 呈线性关系。
第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
(2) 并联柱面结构
D d
用于测量液位高低。设被 测介质的介电常数为ε1，液面 高度为h, 变换器总高度为H， 内筒外径为d，外筒内径为D。
H
第三章电容式传感器
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非电量
电容元件 电容量变化
特点：结构简单、测量范围大、灵敏度高、动态响 应特性好、适应性强、价格低廉、并能进行非接触 测量。
应用：测量力、压力、位移、振动、液位、湿度、 成分含量等场合
第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
一、基本工作原理
➢ 1、变极距型电容传感器 ➢ 2、变面积型电容传感器 ➢ 3、变介质型电容式传感器
εd0—0——空—气2的5~介2电00常μ数m，ε0=1；
d0——空气隙厚度；
Δd—小于间距的1/10
dg——云母片的厚度。
第三章电容式传感返器回
第三章 电容式传感器
举例1 电容式传声器（Microphone）
电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金
属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产
C1
C2
C
h 1
2 H
C 0 1n D d 第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
C 21h2(Hh) 2H 2h(1 )
1n D
1n D
1n D
1n D
d
d
d
d
C0
2h(1 )
1n D
d
电容增量正比于被测液位高度h。
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第三章 电容式传感器
(3) 并联平面板结构
液位计
C
C1
C2
CA1
d0
C0
C0
C与角位移θ呈线性关系。
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第三章电容式传感器
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。
深度角度
第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
与x成线性关系
第三章电容式传感返器 回
第三章 电容式传感器
3、变介质型电容式传感器 (1)单组式平板线位移变介质型
ε2 d2
CA
CB
d1
ε1
x
l
C0
1
bl d1 d2
CA
bx
d2
1
d1
2 1
CA
CB
C
C CA CB
CB
bl
x
d1
1 d2
第三章电容式传感器 1
第三章 电容式传感器
C
C0 C0
（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
第三章 电容式传感器
初始电容C0为：
D1
C0
2 0 L
ln D0
D1
当内筒上移x时，内
外筒间的电容C1为：
x L
D0
C1 2l0n L D0 xC01L x
D1
C x
C0 L
C0 d0
传感器的灵敏度为：
d
KC/C0 1 d d0
电容量与极板间 距离之间的关系
此时C与Δd近似呈线性关系，
所以变极距型电容式传感器往往
设计成在Δd极小范围内变化。
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第三章 电容式传感器
g 0
d0
dg
C A dg d0
0 g 0
测微仪
εCg—0——云—母2的0~相1对00介pF电常数，εg=7；
生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与
极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，
电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输
出，从而完成了声音信号与电信号的转换。
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举例1 电容式传声器（Microphone）
噪声动画
第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
2、变面积型电容传感器
（1）直线位移型
当动极板相对于定极板沿长
度方向平移Δx时，则电容为
C(a dx)bC01 ax
C C0
x a
ΔC与Δx呈线性关系。
k
C C0
1
x a
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(2) 角位移型
当θ=0时，则
C0
A
d0
当θ≠0时， 则
动极 板 定极 板
第一二➢ 节、1、差电变动面容式积式电型传差容感动传器电感的容器传工感作器原理和结构
➢ 2、变极距型差动电容传感器
三、电容传感器输出特性
四、电容传感器等效电路
第三章电容式传感器
第三章 电容式传感器
一、基本工作原理
平板电容器，其电容量为 ：
CA0r A
dd
ε: 电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr ε0 : 真空介电常数 εr: 极板间介质的相对介电常数； A: 两平行板所覆盖的面积； d: 两平行板之间的距离。
x a
动极板
位移x
C2
x
b
d
a
x
C0
1
x a
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第三章 电容式传感器
（2）圆柱面结构直线位移型
静态时：
2R
x0，C1 C2 C0 l2nRl
2r
r
C1x
动态时：
l
C2x
C1x
2
ln R
l
x
C
0
1
1xb
d
2
a
d
xb
2ab d
1
1
2
2
x a
C0
1
1 2
2
x a
电容增量正比于被测液位高度x。
第三章电容式传感返器 回
第三章 电容式传感器 二、差动式电容传感器
1、变面积型差动电容传感器
（1）平面板结构直线位移型
静态时：
4a
x0， C1C2C0a db
动态时：
定极板
C1
C2
C1x
b
d
a
x
C01
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第三章 电容式传感器
ΔA
ε1 εr
Δd
Δd
类型
d—距离，称变极距型传感器
A—面积，称变面积型传感器
—介质，称变介质型传感器
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第三章 电容式传感器
1、变极距型电容传感器
1-定极板
d
0
d
2-动极板
初始电容量为
C0
A d0
电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增