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第6-7讲 电容式传感器

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电容式传感器的工作原理和结构课件

电容式传感器的工作原理和结构课件
精度和稳定性
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重

第7章 电容式传感器

第7章 电容式传感器

2．变面积式电容传感器
变面积式电容传感器有三种类型的变面积传感器。
图7-5是平板直线位 移式电容传感器，上 极板是可以左右移动 的动极板，下极板是 固定不动的定极板。
图7-6是电容角位移式 传感器，动极板的轴由 被测物体带动而旋转一 个角位移θ度时，两极 板的遮盖面积S减小， 因而电容量C也随之呈 线性关系减小。
1、 结构
电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器， 如图7-20所示，从图中可以看到，检测极板设置在接近开 关的最前端，测量转换电路安装在接近开关的壳体内，并 用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。
2、工作原理
图7-21所示是调幅式测量转换电路。它由LC高频振荡 电路、检波器、直流电压放大器等组成。
图7-11所示即为调频原理框图。
3．运算放大器式测量电路
图7-12是一理想运算放大器式的测量电路，其理想运算放 大器输出电压与输入电压之间的关系为
uo
ui
C0 Cx
采用基本运算放大器的最 大特点是电路输出电压u0 与电容式传感器的极距d成 正比，使基本变极距式电 容传感器的输出特性具有 线性特性。
➢ 接近开关又称为无触点行程开关，本章介绍了接近开关的结构 和工作原理，并分析了电容式接近开关的结构、工作原理和应 用。
1．变极距式电容传感器
电容量C与极板距离d成反比，当图7-3中动极板在被测参
量的作用下发生位移时，改变了极距d的大小，从而使极
板之间的电容大小发生变化。电容的初始值为
，
当动极板在被测参量的作用下发生位移，使极距d减小了
Δd，则电容C将增加ΔC，当Δd<<d时，有
C
S(1 d
d d
)
C0

电容式传感器PPT课件

电容式传感器PPT课件

l1
C 22 (l l1) 21l1
d
ln( D ) ln( D )
D
d
d
ε1—被测液体介电常数 ε2—空气的介电常数 D、d—两同心圆柱的直径
l—柱体的有效总长度 l1——浸入液体的实际高度
C
2
ln( D
)
(1
2
)l1
d
K C 2 (1 2 )
l1 ln( D d )
第二节 电容传感器测量电路
5、新型电容式指纹传感器
FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器， 其外面是绝缘表面，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成 电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低， 这里指的是脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。 通过读取充、放电之后的电容差值，来获取指纹图像。该传感 器的生产采用标准CMOS技术，大小为15×15mm2，获取 的图像大小为300×300，分辨率为500DPI。FPS110提供有 与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器， 可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功 耗很低（<200mw），价格也比较便宜（人民币600元以 下）。下图为利用FPS110获取的指纹图象
5、新型电容式指纹传感器
电容传感器系列 创新应用
第五章小结
1、变极距型电容传感器 输出呈非线性关系，灵敏度与极距平方成反比， 适合检测微小位移。
2、变面积型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，适合检测较大的位移。 3、变介质型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，典型应用是检测液位。 4、检测电路
运算放大器检测电路和电桥检测电路
剂固定两个截面为T型的绝缘体，

电容式传感器教学课件PPT

电容式传感器教学课件PPT

后,进行补偿。
h
27
第6章 电容式传感器
6.2.2运算放大器式电路
图6-10 运算放大器式 电路原理图
运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄
漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
U o
C Cx
Ui
Cx
A d
Uo
CUi
A
d
特点：
1.输出电压与极板距离d成正比
2.要求Zi及放大倍数足够大 3.为保证仪器精度,还要求电源电 压的幅值和固定电容稳定
ZCx2
U 2
•
•
U 11
1U
jCx2 2
•
＝U Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
2 Cx1 Cx2
h
34
第6章 电容式传感器
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
•
• U d Uo
2 d0
（其 Cx1中 d0 A d， Cx2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器 的假人
气囊
h
49
第6章 电容式传感器
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经 控制系统使气囊迅速充气 。
h
50
第6章 电容式传感器
利用加速度传感器实现延时起爆 的钻地炸弹
传感器安装位置
h
51
第6章 电容式传感器
6.3电容式传感器的应用（3）
第6章 电容式传感器
h
1
第6章 电容式传感器

电容式传感器的工作原理和结构课件

电容式传感器的工作原理和结构课件
扩大动作范围
研究更先进的技术和材料，以 扩大电容式传感器的动作范围。
提高响应速度
优化传感器结构和电路设计， 以提高电容式传感器的响应速度。
改进电源管理
优化电源管理系统，提高电容 式传感器的电源稳定性。
PART 05
电容式传感器的发展趋势
技术创新
微型化
随着微电子技术的进步，电容式传感 器的尺寸不断缩小，提高了其集成度 和空间利用率。
分类
根据转换原理和应用领域，电容 式传感器可分为变间隙型、变面 积型和变介电常数型等。
工作原理简介
工作原理
电容式传感器基于电场原理，通过测量电场中电容量的变化来检测被测量的变 化。
转换过 程
当被测量发生变化时，会引起电容器极板间的距离、面积或介电常数的变化极材料
01
电极材料的选择对电容式传感器 的性能也有重要影响。常用的电 极材料包括金、银、铜、镍等。
02
电极材料的导电性能、稳定性以 及与被测物体的兼容性等因素都 需要考虑。
电极形状与尺寸
电极的形状和尺寸也会影响电容式传感器的性能。不同形状和尺寸的电极适用于 不同的应用场景。
例如，对于测量液体流量的传感器，通常采用圆环形电极；对于测量压力的传感 器，则采用圆形或方形电极。电极的尺寸也会影响传感器的灵敏度和响应速度。
2023 WORK SUMMARY
电容式传感器的工作 原理和结构课件
REPORTING
CATALOGUE
• 电容式传感器概述 • 电容式传感器的结构 • 电容式传感器的应用 • 电容式传感器的优缺点 • 电容式传感器的发展趋势
PART 01
电容式传感器概述
定义与分类
定义
电容式传感器是一种基于电容原 理的传感器，能够将非电学量转 换为电学量。

电容式传感器教学课件

电容式传感器教学课件

电容式传感器的工作原理
电容式传感器是通过改变电容值 来实现测量的。
电容式传感器的结构和特点
本节将介绍电容式传感器的结构、特点以及它们的应用场景。
1
结构
电容式传感器由两块带电极板组成，并以介电常数介质隔开。
2
特点
电容式传感器具有分辨率高、体积小、响应速度快、精度高等特点。
3
应用
电容式传感器广泛应用于车载电气控制、机器人和自动化设备、航空航天等领域。
电容式温度传感器
4
等领域。
主要用于高精度的温度检测，例如航天 器、机器人、汽车和电子计量器等。
电容式传感器的使用和维护
本节将介绍电容式传感器的使用注意事项以及维护方法。
1 使用注意事项
避免机械撞击、电击和磁场干扰；安装时请 注意方向和距离。
2 维护方法
保持传感器的清洁和干燥；注意传感器的电 气性能；定期更换较老的传感器；合理使用 传感器。
电容式传感器的分类
本节将介绍电容式传感器的常见分类，以及每种传感器的使用场景。
1
电容式加速度传感器
广泛应用于振动感应器、地震检测和军
电容式气压传感器
2
用电子设备等领域。
广泛用于空气压力测量、液体水平测量、
气囊系统和锅炉测量等领域。
3
电容式湿度传感器
广泛应用于湿度测量和温度测量，并广
泛用于农业、化学、医疗、环境和气象
电容式传感器教学课件 PPT
本教学课件将详细介绍电容式传感器的原理、种类、结构和应用。通过本课 件，你将深入了解电容式传感器，掌握其使用和维护方法，了解电容式传感 器的发展前景。
引言
电容式传感器是一种非常常见的传感器，广泛应用于各个领域。本节将介绍电容式传感器的概念 以及电容式传感器的种类。

电容式传感器 PPT讲稿


二、电容式传感器的分类及工作原理
分类：按工作方式分类 1.变极距型电容传感器 2.变面积型电容传感器 3.变介电常数型电容传感器
1 变极距型电容传感器
固定极板A
S
d
C S r0S
dd
保持其中两个参数不
ε
变，仅改变其中一个
活动极板B
参数，就可把该参数
S ——极板相对覆盖面积；
的变化转换为电容量
• 电容传感器将被测量的变化转换成电容的
变化后，还需由后接的转换电路将电容的 变化进一步转换成电压、电流或频率的变 化。
2020/7/11
22
转换电路的组成部分
• 1．交流电桥 • 2．调频电路 • 3．运算放大式电路 • 4．脉冲宽度调制电路 • 5．二极管双T型交流电桥
2020/7/11
23
交流电桥
角位移形式的电容传感器
• 当动极板有一角位移时，两极板的相对面
积A也发生改变，导致两极板间的电容量发
生当变化 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1 )
推导过程
• 电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
• 变面积式电容传感器的输出是线性的，灵
敏度K是一常数。
结论
• 介质变化型电容传感器的极距、有效作用
面积不变，被测量的变化使其极板之间的 介质情况发生变化。
• 主要用来测量两极板之间的介质的某些参
数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位 等。
• 传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液
面h成线性关系，只要测出传感器电容C的 大小，就可得到液位h。

电容式传感器原理和其应用


2.4 变介电常数式电容传感器
根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影 响电容式传感器电容量的一个因素。通常情况下， 不同介质的介电常数各不相同。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 图所示。
（a）柱式
（b）平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物 质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路， 如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移 之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可 以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量 的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。
3.2 电容式传感器的设计改善措施
➢ 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与 其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。
（1）消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式传感器的 灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小 或消除。
➢ 适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影 响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。
⑤ 传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性 能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘 性能的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶 瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高 于塑料、有机玻璃等。
（3）减小或消除寄生电容的影响
➢ 寄生电容可能比传感器的电容大几倍甚至几十倍， 影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没 传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此， 减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关 键。通常可采用如下方法：

电容式传感器PPT课件

20
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸 张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、 木材或煤等非导电固体物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件

电容式传感器的工作原理及结构形式课件

新技术
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
05
电容式传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而 电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿 度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。 而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化， 改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量 的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板 的影响，从而检测加速度的变化。这种传感 器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领 域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的 影响，从而检测温度的变化。这种传感器广 泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的 影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单 ，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数 。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间 保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时， 传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化， 可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来 检测物理量，而电容式传感器则是通过 测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场 变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（ 如磁场、电流等）。而电容式传感器则是 利用电容器极板间电介质的变化，改变电 容器极板间的距离或相对面积，从而引起 电容量的变化，实现对物理量的检测。
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第4章 电容式传感器
若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频 放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易 保证工作十分稳定。
Ⅱ.寄生电容影响大
电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电 子线路的引线电缆电容（1～2m导线可达800pF）、电子 线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的 电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的 灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化 的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电 缆的选择、安装、接法都有要求。
Ⅲ.动态响应好
电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约 几个10－5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动 部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率 很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特 别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频 率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化 的参数。
第4章 电容式传感器
0 0 0 ef 100% 100% / 0 0 0
2
(4-9)
由上讨论可知： (1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0| 很小(小测 量范围)时，才有近似的线性输出； (2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少 δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器 中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由 于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位 移，故在微位移检测中应用最广。
C=ε 0ε rA/δ
(4-1)
第4章 电容式传感器
4.1.1 变极距型电容传感器
图4.1为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为 常数，初始极距为δ0 ，由式(4-1)可知其初始电 容量C0为
C0 0 r A / 0
(4-2)
图4.1 变极距型电容传感器原理图
第4章 电容式传感器
第4章 电容式传感器
2.缺点 Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差
电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一 般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的 输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时， 输出阻抗高达108～106Ω。因此传感器的负载能力很差， 易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法 工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大 的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（ 几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响 仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围 的环境如湿度、清洁度等。
当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ0时， 电容量增大ΔC则有
C0 C 0 r A /
0 0 C0 / 10 / 0
1
(4-3)
可见，传感器输出特性C＝f(δ)是非线性的，如图4-2 所示。电容相对变化量为
0 0 C / C0 1 0 0
第4章 电容式传感器
图4.9电容传感器的等效电路 图中C为传感器电容，Rp为低频损 耗并联电阻， 它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、 高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极 板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感； Cp为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实 用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，在实际 应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会 使传感器有效电容
第4章 电容式传感器
第二节 特点和应用中存在的问题
4.2.1 特点
1.优点： Ⅰ.温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关， 有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极 小，影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损等， 易发热产生零漂。
第4章 电容式传感器
Ⅱ.结构简单
电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的 精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能 工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承 受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能 测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。
0
和
S C / 0 C0 / 0 0 r A /
0 0 C / C0 1 0 0
2 0
(Hale Waihona Puke -7)如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则
(4-8)
第4章 电容式传感器
式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如 曲线2。因此，以式4-6作为传感器的特性使用时，其相 对非线性误差ef为
2 4 C1 C2 C / C0 2 1 C0 0 0 0 (4-11)
第4章 电容式传感器
略去高次项，可得近似的线性关系 C / C0 2 0
相对非线性误差ef′为
e'f 2 / 0
3
(4-12)
2 / 0
/ 0 100%
2
(4-13)
上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，差动式比单极 式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由 于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化 所造成的误差。
变面积型电容传感器

若电介质ｌ为空气(εr1＝1)，当ｌ＝0时传感器的初始 C0 0 r l0 b0 / 0；当介质2进入极间ｌ后引起电容 电容 的相对变化为 C C C0 r 2 1 (4-20)
C0 C0 l0 l
可见，电容的变化与电介质2的移动量ｌ成线型关系。 上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。如图(b) 所示，将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量 的增加，极板覆盖面增大。由式(4-20)可知，测出的电 容量即反映灌装高度ｌ。
0 b0 r1 (l0 l ) r 2l C C1 C 2 0
(4-19)
第4章 电容式传感器
图4.8 变介质型电容传感器 (a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量 式中ｌ0、b0——极板长度和宽度； ｌ——第二种电介质进入极间的长度。
第4章 电容式传感器
C AC 0 C BC 0
0 r ( R 2 r 2 ) 0
(4-17)
第4章 电容式传感器
对图(b)有
C AC 0 C BC 0
0 r lr 0
(4-18)
上两式中 α ——初始位置时一组极板相 互覆盖有效面积所包的角度(或所对的圆心 角)；δ 0、ε r同前。 当动极板C随角位移(Δα)输入而摆动时两 组电容值一增一减，差动输出。
0 A C 1 2 / r 2
(4-10)
图4.5所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初 始位置时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容相等。当动 极板向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ， δ2 ＝δ0+Δδ； 两组电容一增一减。同差动式自感传 感器式(3-41)的同样分析方法，由式(4-4)和式(4-5) 可得电容总的相对变化量为
第4章 电容式传感器
第4章 电容式传感器
4.1
4.2 1.2 4.3 4.4
工作原理、结构和特性 特点和应用中存在的问题 测量电路 电容式传感器及其应用
第4章 电容式传感器
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电 容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、 可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动 等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着 集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬 长避短，成为一种很有发展前途的传感器。
第4章 电容式传感器
Ⅳ.可以非接触测量，具有平均效应
例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚 珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式 传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对 测量的影响。 电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极 板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小， 因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等， 可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01μm 甚至更 小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构 并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行 高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。
第4章 电容式传感器
由式(4-9)可见, δ0的减小会导致非线性误差增大； δ0过小还可能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，如图4.4所示。设两种介质的相对介电质 常数为εr1 (空气：εr1＝1)、εr2，相应的介质 厚度为δ1、δ2，则有
第4章 电容式传感器
第4章 电容式传感器 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展 ，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服 。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动 态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途地传感器。
4.2.2 应用中存在的问题 1.等效电路
上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的 条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下 也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励 的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其 等效电路如图4.9所示。
第4章 电容式传感器
4.1.2.变面积型电容传感器
原理结构如图4.6所示。它与变极距型不同 的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有 效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动 极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则 电容为
0 r l0 l b0 C C0 C 0
第4章 电容式传感器
第一节 工作原理、结构和特性
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器， 当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数 ε0 (8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常 数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关： 若被测量的变化使式中δ、A、εr三个参量中任意一 个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量 电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分 为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。