項目4：電容式傳感器

目錄01項目導入02結構與原理04測量電路05應用03精度影響因素及改進措施單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART01項目導入

電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器，它具有結構簡單、分辨率高、抗過載能力大、動態特性好；且能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。電容式傳感器可用于測量壓力、位移、振動、液位、厚度。4.1項目導入單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART02結構原理電容式傳感器的常見結構包括：平行板狀（平行板電容器）圓筒狀（圓筒電容器）4.2電容傳感器結構與工作原理4.2電容傳感器結構與工作原理平行板電容器的電容為：

上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？1.平行板電容器Adε在d、A和ε三個參數中，保持其中兩個不變，改變另一個參數就可以使電容量C發生改變。4.2電容傳感器結構與工作原理圓筒電容式傳感器的結構如圖所示。在不考慮邊緣效應的情況下，其電容量的計算公式為：

式中：l—內外極板所覆蓋的高度；R-外極板的半徑；r-內極板的半徑；

2.圓筒電容器4.2電容傳感器結構與工作原理①改變極板間距離(δ)的極距型傳感器10

根據其改變參數不同，可將電容式傳感器分為下三種：+++③改變電介質介電常數（ε0）的介質型傳感器②改變極板遮蓋面積（A

）的面積型傳感器（角位移型、平面線位移型、柱面線位移型）4.2電容傳感器結構與工作原理4.2.1變面積型電容傳感器1.直線式

變面積型電容傳感器原理圖變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。電容的相對變化量靈敏度（1）平行板結構為提高測量精度，也常用如圖所示的結構形式，以減少動極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差。

中間極板移動變面積式電容傳感器原理圖

平板形結構對極板移動變化特別敏感，測量精度受到影響。4.2.1變面積型電容傳感器LD1D0定極板動極板線位移單組式的電容量C為：L—外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；D0—外圓筒內半徑D1—內圓柱外半徑。而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。當兩圓筒相對移動ΔL時，電容變化量ΔC為:這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數。4.2.1變面積型電容傳感器（2）圓筒結構2.角位移式定極板動極板

當動極板有一角位移時θ時，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0時，當θ≠0時，電容的相對變化量為：4.2.1變面積型電容傳感器

差動角位移式電容傳感器原理圖在實際應用中，也采用差動結構，以提高靈敏度。角位移測量用的差動式結構如圖所示。

4.2.1變面積型電容傳感器4.2.2變極距型電容傳感器當傳感器的ε和A為常數,初始極距為d0時,可知其初始電容量C0為極距增加Δd時：基本結構電容的相對變化量靈敏度

基本的變間隙式電容傳感器差動結構的變間隙電容傳感器差動式電容的相對變化量靈敏度

與基本結構間隙式傳感器相比，差動式傳感器的非線性誤差減少了一個數量級，而且提高了測量靈敏度，所以在實際應用中被較多采用。

4.2.2變極距型電容傳感器4.2.3變介質常數型電容傳感器

常用來檢測片狀材料的厚度、容器中液面高度，還可用來測量介質的介電常數、溫度、濕度等。1.平面式電容變化量DC與位移Dx呈線性關系。若被測介質的介電常數ex已知，測出輸出電容C的值，可求出待測材料的厚度x。若厚度x已知，測出輸出電容C的值，也可求出待測材料的介電常數ex。因此，可將此傳感器用作介電常數ex測量儀。

測厚儀測厚儀總電容為C1與C2串聯的結果：C1C2C舉例：4.2.3變介質常數型電容傳感器2.圓柱式電介質電容器大多采用圓柱式。其基本結構如圖所示，內外筒為兩個同心圓筒，分別作為電容的兩個極。

圓柱式電容器結構圖4.2.3變介質常數型電容傳感器如圖所示為一種電容式液面計的原理圖。在介電常數為ex的被測液體中，放入該圓柱式電容器，液體上面氣體的介電常數為e，液體浸沒電極的高度就是被測量x。電容液位計

電容式液面計液面計的輸出電容C與液面高度x成線性關系。舉例：4.2.3變介質常數型電容傳感器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART03測量電路4.3電容式傳感器的等效電路和測量電路被測物理量→電容→轉換電路→電壓或其它電量電容式傳感器的轉換電路就是將電容式傳感器看成一個電容并將其轉換成電壓或其它電量的電路

C為傳感器電容，Rp為極板間漏電和介質損耗電阻；Rs包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；Ls為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，并聯關系。電容傳感器的等效電路s4.3.1等效電路圖中：電容式傳感器中電容值以及電容變化都非常小,難以直接為目前的顯示儀表所顯示！4.3.2電容式傳感器的測量電路借助測量電路以檢出這一微小電容增量,并將其轉換成與其成單值函數關系的電壓、電流或者頻率。電橋電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調制電路等運算放大器式電路

單臂接法交流電橋電路

變壓器交流電橋電路1、交流電橋電路（1）單臂橋式電路（2）差動接法變壓器交流電橋電路4.3.2電容式傳感器的測量電路2、運算放大器式電路-A～UoCoCxUi∑運算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關系

運算放大器式測量電路

4.3.2電容式傳感器的測量電路3、二極管雙T型交流電橋

高頻電源,它提供幅值為UE

的對稱方波VD1、VD2為特性完全相同的兩個二極管,R1=R2=R,C1、C2為傳感器的兩個差動電容，當傳感器沒有輸入時,C1=C2電路工作原理:正半周1：VD1√、VD2×,C1充電;負半周1：C1上的電荷通過R1、RL放電,流過RL的電流為I1

。同時VD2√、VD1×,→C2充電;正半周2：C2通過電阻R2,負載電阻RL放電,流過RL的電流為I2

。根據上面所給的條件,則電流I1=I2,且方向相反,在一個周期內流過RL的平均電流為零。4.3.2電容式傳感器的測量電路若傳感器輸入不為0,則C1≠C2→I1≠I2→RL上有信號輸出,其輸出在一個周期內的平均值為

則f為電源頻率令4.3.2電容式傳感器的測量電路電路的特點：(1)線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；(2)電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩定；(3)輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點；(4)適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。4.3.2電容式傳感器的測量電路雙穩態觸發器R2A1A2VD1R1uABC2C1QQ

AGBFUR比較器循環工作VD2C1、C2：電容傳感器；R1=R2,A1、A2為比較器。差動脈沖寬度調制電路4.脈沖寬度調制電路4.3.2電容式傳感器的測量電路（a）C1=C2（b）C1>C2

電路各點的充放電波形當電阻R1=R2

=R時，則有由此可知，差動脈沖寬度調制型電路，其輸出電壓與電容變化成線性關系。電路的工作原理：利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到對應于被測量變化的直流信號。4.3.2電容式傳感器的測量電路單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART04精度影響因素及改進措施◆實際中存在的問題及其解決辦法

1．溫度影響應盡量選擇溫度系數小且穩定的金屬材料做電容器極板，如鐵鎳合金；此外，應采用差動對稱結構，在測量電路中加以補償。極板支承架應選擇絕緣性能良好的材料，如陶瓷、石英等高絕緣電阻、低吸濕性材料。

極板周邊加裝同心圓環示意圖

2．電場的邊緣效應

增加極板面積和減小極間距離可減小邊緣效應的影響；當檢測精度要求很高時，可考慮加裝等位環，如圖4.19所示，即在極板周邊外圍的同一平面上加裝一個同心圓環，致使極板周邊極間電場分布均勻，以消除邊緣效應的影響。3．寄生電容的影響（1）減小引線長度。（2）屏蔽。4.4電容式傳感器的精度影響因素及改進措施單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART05應用4.5電容式傳感器的應用（1）測定角度θ：（2）測定液面高度h：（3）測定壓力F：（4）測定位移x：定片動片θ電介質金屬芯線導電液體待測壓力F固定電極可動電極x極板極板電介質一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產生位移時,形成的兩個電容器的電容量,一個增大,一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。1、電容式壓力傳感器4.5電容式傳感器的應用兩個固定極板（與殼體絕緣）,中間有一用彈簧片支撐的質量塊,質量塊的兩個端面經過磨平拋光作為可動極板。傳感器殼體隨被測對象作加速運動,質量塊在慣性空間中相對靜止,而兩個固定電極將相對質量塊在垂直方向產生正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發生變化,一個增加,一個減小,從而使C1、C2產生大小相等,符號相反的增量,此增量正比于被測加速度。2、電容式加速度傳感器4.5電容式傳感器的應用電容器極板電介質板被測物體電容式位移傳感器示意圖x3、電容式位移傳感器

4.5電容