电容传感器工作原理

ＶＯ１．４１　ＮＯ．１２　Ｄｅｃ．２０１２　中　学参考　

电容　值　德感器　原理　

叶晟波　（浙江省慈溪中学　３１５３００）　实验研究　

文章编号：１００２—２１８Ｘ（２０１２）１２—００４９—０２　中图分类号：Ｇ６３２．０　文献标识码：Ｂ　

对电容式位移传感器原理，一般认为，当被测物　体带动电容器极板间电介质移动时，电容器电介质的　

相对介电常数发生变化，引起电容器的电容发生变　

化．这样的解释有待商榷．因为当电介质板在平行板　电容器内移动时，空气与电介质板的相对介电常数并　

没有改变，插入电介质板后，是空气电容器与电介质　

板电容器并联后的总电容由于正对面积的变化而引　起的电容变化．而且，电容的变化与位移是按线性规　

律变化的．　以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容　量变化的传感器称为电容式位移传感器．在人教版普　

通高中课程标准实验教科书《物理》选修３—２第六章　

第１节《传感器及其工作原理》中有“说一说”，其内容　如下．　

如图１所示，当被测物体在左右方向发生位移　

时，电介质板随之在电容器两极板之间移动．如果测　出了电容的变化，就能知道物体位置的变化．用什么　

方法可以检测电容的变化？　电容式位移传感器能够把物体位移这个力学量　转换为电容这个电学量．　

细的水珠不断向上飞溅，形成奇妙的“倒置喷泉”（图　６），甚为有趣，图６中标示的小箭头用以标出飞溅的　

小水珠．　

图６　实验现象　②与接线金属片相连的验电器铂片的张角会迅　

速增大，表明蓄电罐上净电荷的量在不断增加．　说明该现象在阴雨天气也能观察；水花飞溅的　

“倒置喷泉”情景是间断性发生的．　

六、结束语　本文所述装置是学生在笔者的指导下完成的作　品．此实验对综合技能要求相对较高，但是整个制作　过程非常有利于提高学生的综合素养．　

首先，在制作过程中，需要解决的种种问题能促　使学生积极思考，分析、总结实验中出现的各种不理　

想状况或者实验失败的原因，培养了学生独立思考的　习惯，提高了其动手技能．　

Internal Combustion Engine & Parts• 27 •

浅谈电容式传感器的工作原理及应用

及冲冲；张秀梅;卢艳楠;岳立喜

(华北理工大学迁安学院，迁安064400)

摘要:传感器作为测试系统的第一个环节，是一种能感受特定被测量信息并按一定规律转换成被人们所熟悉的可用输出信号的 器件或装置。传感器种类不同，工作原理及应用也不同。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器,本文对其基本工作原 理及应用进行了讨论。关键词：传感器；电容式传感器；电容参数

1传感器简介当今世界进入信息社会时代，科学技术发展迅速，对

各种信息的需求也越来越多。在科学技术领域中，信息的

获得一般都要以各种测试的结果为依据。任何科学理论的

建立都要借助于大量的测试工作，生产工艺过程的自动控

制、监测、产品质量的检测验收等都离不开测试。

测试的完成就要有相应的测试装置，传感器作为测试

装置的第一个重要环节，由三部分组成:敏感元件、转换元 件和测量电路。敏感元件是传感器直接感受被测量的部

分；转换元件是传感器将敏感元件的输出转换为适于传输 和测量的电信号部分;基本转换电路可以对获得的微弱电

信号进行放大、运算调制等。此外，基本转换电路工作时必

须有辅助电源。传感器种类很多，不同类型传感器应用场 合不同，被测量属性不同，但无论是何种传感器均是将非

电量被测参数转换为电量参数。

传感器处于测试装置的输入端，是实现测试、获取信 息的基础，只有拥有多样、性能优良的传感器，才能适应各

种各样的被测对象、测试精度及动态特性等测试要求。因

此，传感技术决定了科技时代的发展。2电容传感器工作特性

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种

参量型传感装置。电容元件示意图如图1，电容式传感器 原理是基于平板电容器，一对平行极板组成的电容器的电

容量为

_ss〇A_啄

由公式可见，除着0外其余三个参数着、啄、A的变化都

会引起电容量C的变化，因此可通过改变其中任何一个 参数，制成三种不同类型的电容式传感器：介质变化型、极

电容式传感器原理论文

【摘要】电容传感器结构简单，测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。。

【关键词】电容传感器；灵敏度；差动

前言

电容传感器是以电容器为敏感元件，将被测参量，如机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。它不但广泛应用于加速度、位移、振动、角度等机械量的测量，而且还可以用于压力、液面、成分含量、料面、湿度等方面的测量，随着集成电路技术和计算机技术的发展促使它扬长避短，逐步成为传感器家族中不可或缺的一类。

1、电容传感器的原理

用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：

上式中，S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0=8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

2、电容传感器的种类

1）变极距型电容传感器

平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。设初始极距为d0，C0为初始电容值，当动极板有位移x，使极板间距减小后，其电容值变大（如图1所示）。

电容量Cx与位移x不是线性关系。其灵敏度不为常数，为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图2所示，电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。

2）变面积型传感器

变面积式电容传感器如图3所示，可以用于线位移测量，也可以用于角位移测量，根据应用的要求，有平行板型极板、圆筒型极板、锯齿型极板等，具有较好的线性特性。

3）变介电常数式

变介电常数式电容传感器是在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感器常被用来测量液体的液位（如图4所示）和材料的厚度等。传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

差动电容传感器的原理

差动电容传感器是一种利用电容变化来检测和测量物体位置变化的传感器。它基于电容变化的原理，通过测量电容的变化来实现对物体位置变化的监测。

差动电容传感器的原理基于两个电容的变化差异。传感器通常由两个电容组成，一个称为主电容，另一个称为参考电容。当物体靠近或远离传感器时，物体与传感器之间的距离会引起主电容和参考电容的变化。这种变化会导致两个电容的差异发生变化，从而产生一个反映物体位置变化的电容值。

具体来说，当物体靠近传感器时，主电容的值会增加，而参考电容的值不变，导致电容值的差异增加。而当物体远离传感器时，主电容的值会减小，导致电容值的差异减小。通过测量这种电容值差异的变化，可以得知物体的位置变化情况。

差动电容传感器通常采用一种称为差分放大器的电路来测量电容的变化。差分放大器可以实现对电容差异的放大和转换成电压信号，从而传感器的输出可以表示为电压信号。这样就实现了对物体位置变化的监测和测量。

差动电容传感器具有许多优点，例如精度高、响应速度快、抗干扰能力强等。它适用于许多领域，如自动化控制、机械制造、医疗设备等。它可以实现对物体位置变化的高精度监测，并且可以适应复杂的环境。

在工业自动化领域中，差动电容传感器常用于测量机械装置的位置变化。通过安装传感器，可以实时监测机械装置的位置变化情况，从而实现对机械装置的精准控制。此外，差动电容传感器还可以用于液位测量、距离测量、压力测量等领域。

总的来说，差动电容传感器是一种利用电容变化来检测和测量物体位置变化的传感器。它的工作原理是基于对电容变化的测量和转换，通过测量电容值的差异来实现对物体位置变化的监测。它具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点，适用于许多领域。差动电容传感器在工业自动化、机械制造、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。