传感器原理及工程应用第05章 电容式传感器

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5.1 电容式传感器的工作原理和结构
5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
5.3 电容式传感器的测量电路
5.４ 电容式传感器的应用
第5章 电容式传感器
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第5章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容
器, 如果不考虑边缘效应 , 其电容量为
d
A
c
式中 : ε—— 电容极板间介质的介电常数 , ε =ε0·εr, 其中 ε0为
真空介电常数 , εr为极板间介质相对介电常数 ;
A—— 两平行板所覆盖的面积 ;
d—— 两平行板之间的距离。
当被测参数变化使得式（ 5 - 1 ）中的 A#,d 或ε发生
变化时 , 电容量 C也随之变化。如果保持其中两个参数不变 ,
而仅改变其中一个参数 , 就可把该参数的变化转换为电容量
的变化 , 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。
一、 变极距型电容传感器
图 5 - 1 为变极距型电容式传感器的原理图。当传
感器的 εr 和A为常数 , 初始极距为 d0时, 由式（ 5 - 1 ）可
知其初始电容量 C0为0
10
0d
A
c
若电容器极板间距离由初始值 d0缩小 Δd, 电容量增
大ΔC, 则有
C1=C0+ΔC=
2
0
2
0
0
0
0
0
)(
1
)1(
d
d
d
d
c
d
d
d
A
r
由式（ 5 - 3 ）可知 , 传感器的输出特性 C =f(d) 不
是线性关系 , 而是如图 5- 2 所示双曲线关系。
此时 C1与Δd 近似呈线性关系 , 所以变极距型电容
式传感器只有在 Δd/d0很小时 , 才有近似的线性输出。
另外 , 由式（ 5 - 4 ）可以看出 , 在d0较小时 , 对
于同样的 Δd 变化所引起的 ΔC 可以增大 , 从而使传感器灵敏
度提高。但 d0过小 , 容易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 5- 3 所示 ), 此时电容 C变为
（ 5 -
5）
0
0
0
d
d
A
c
g
g
式中 : εg—— 云母的相对介电常数 , εg= 7;
ε0—— 空气的介电常数 , ε0= 1;
d0—— 空气隙厚度 ;
dg——云母片的厚度。
云母片的相对介电常数是空气的 7倍, 其击穿电压
不小于 1000 kV/mm, 而空气的仅为 3kV/mm 。 因此有了云母
片, 极板间起始距离可大大减小。同时 , 式（ 5-5 ）中的(dg/ε
0εg) 项是恒定值 , 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 2
0～100pF 之间 , 极板间距离在 25 ～200μm 的范围内 , 最大
位移应小于间距的 1/10, 故在微位移测量中应用最广。
二、 变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图。
图5-4 变面积型电容传感器原理图
C=C0- C=
)(
0xa
r
d
b
式中 C0=ε0εrb0L0/d0为初始电容。电容相对变化量为
a
x
c
c
0
很明显 , 这种形式的传感器其电容量 C与水平位移
Δx 是线性关系。
图 5 - 5 是电容式角位移传感器原理图。当动极板
有一个角位移 θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变 , 从而
改变了两极板间的电容量。当 θ=0 时, 则
图5-5 电容式角位移传感器原理图
C0=ε0εrA0d0 (5 - 8)
式中 : εr—— 介质相对介电常数 ;
d0—— 两极板间距离 ;
A0—— 两极板间初始覆盖面积。
当 θ≠0 时, 则
 C1=ε0εrA0 （5 - 9 ）
从式（ 5 - 9 ）可以看出 , 传感器的电容量 C与角
位移 θ呈线性关系。
摘要：

5.1电容式传感器的工作原理和结构5.2电容式传感器的灵敏度及非线性5.3电容式传感器的测量电路5.４电容式传感器的应用第5章电容式传感器返回主目录第5章电容式传感器5.1电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为dAc式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式（5-1）中的A#,d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的...

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