電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的應用2.2.3電容式傳感器一.電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換成電容量變化的一種裝置，實質上就是一個具有可變參數的電容器。由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為式中:ε——電容極板間介質的介電常數，ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數，εr極板間介質的相對介電常數；

S——兩平行板所覆蓋的面積；

d——兩平行板之間的距離。

當被測參數變化使S、d或ε發生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個參數，就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數型三種。優點：結構簡單、分辨高、可非接觸測量可以在高溫、輻射、強烈振動等惡劣條件下工作

分類示意圖：

c)介質變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++電容式傳感元件的各種結構形式變極距型a、e變面積型b、c、d、f、g、h變介電常數i、j、k、l1變極距型電容傳感器當傳感器的εr和S為常數，初始極距為d0時，可知其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有若Δd/d0<<1時，1-(Δd/d0)2≈1，則

此時C與Δd近似呈線性關系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性關系。另外，在d0較小時，對于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數的材料（云母、塑料膜等）作介質,此時電容C變為式中：εg——云母的相對介電常數，εg=7；

ε0——空氣的介電常數，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。放置云母片的電容器一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內。最大位移應小于間距的1/10，故在微位移測量中應用最廣。變極距型電容式傳感器變面積型電容傳感器原理圖2變面積型電容式傳感器

被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時，則電容變化量為式中C0=ε0εrba/d為初始電容。電容相對變化量為很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關系。電容式角位移傳感器原理圖當動極板有一個角位移θ時，與定極板間的有效覆蓋面積就發生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0時，則式中：εr——介質相對介電常數；

d0——兩極板間距離；

S0——兩極板間初始覆蓋面積。當θ≠0時，則可以看出，傳感器的電容量C與角位移θ呈線性關系。電容式液位變換器3變介質型電容式傳感器上圖是一種變極板間介質的電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖。設被測介質的介電常數為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內筒外徑為d，外筒內徑為D，此時變換器電容值為式中：ε——空氣介電常數；

C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。RrL電容式物位計原理圖Lx變介質型電容式傳感器變介質型電容傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質的濕度。兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數為εr2的電介質以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C為式中：L0和b0——極板的長度和寬度；L——第二種介質進入極板間的長度。若電介質εr1=1,當L=0