传感器基础教程第4章电容式传感器

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2024-12-10 4 0 1.51MB 61 页 5.9玖币

   
  
   第 4 章  电容式传感器
第
第4
4章电容式传感器
章电容式传感器
         电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非
电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。
优点：●  
●  结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高
                   温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；
            ● 
            ●  
  可非接触测量；
            ● 
            ●  灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；
            ● 
            ●  
  极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；
缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。   
 4.1  电容式传感器的工作原理及结构类型
4.3  电容式传感器的等效电路 
4.4  硅电容式压力传感器
4.5  电容式传感器的测量电路
4.6  电容式传感器的应用 

第 4 章电容式传感器

4.1 电容式传感器的工作原理及结构类

型

一、工作原理及结构类型

二、变间隙式电容传感器

三、变面积式电容传感器

四、变介电常数式电容传感器

五、电容式传感器的分类

六、电容式传感器的输出特性

第 4 章电容式传感器

一、工作原理及结构类型

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。

多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如

果不考虑边缘效应，电容器的电容量：







S —— 两平行极板所覆盖的面积；

D —— 两平行极板之间的距离；



——极板间介质的介电常数；



0 —— 真空介电常数（ 8.854×10-12 F•m-1 ）



r —— 介质相对真空的介电常数，



r空气≈1，其它介质



r >1 。

当被测量使得 S

、

d 或



发生变化时，电容量 C 也随之变化。一

般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换

为电容量的变化。

第 4 章电容式传感器

 电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、

变面积式和变介电常数式。

（ a ）、（ b ）变间隙式；（ c ）、（ d ）、（ e ）、（ f ）变面积式；

（ g ）、（ h ）变介电常数式

第 4 章电容式传感器

二、变间隙式电容传感器

初始电容



























































当d<<d0时，可简化为

C





















这时C 与d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式

传感器往往是设计成d 在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，

d0 越小，灵敏度越高。

若电容器极板距离由初始值 d0 变化

了d ，d1 = d0±d ，其电容量

001 d

CCCC 

 

第 4 章电容式传感器

但 d0 减小会导致非线性误差增大，且 d0 过小时，容易引起电容器

击穿。改善耐压性能的办法是在极板间放置高介电常数的材料（云母片、塑

料膜等）。此时电容 C 变为







式中



g = 7—— 云母的相对介电常数；



0 —— 真空介电常数；

dg —— 云母片的厚度；

d0 —— 空气气隙厚度。

云母的相对介电常数为空气的 7倍，其击穿电压不小于 103 kV/m

m，而空气的击穿电压仅为 3kV/mm ，即使厚度为 0.01mm 的云母片，它

的击穿电压也不小于 10kV/mm 。因此有了云母片，极板之间的起始距离

可以大大减小。同时分母中的 dg/



g 项是恒定值，它能使电容式传感器的输

出特性的线性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较好的线

性关系。

第 4 章电容式传感器

一般电容式传感器的起始电容在 20~30pF 之间，极板距离

在25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的 1/10 。此类电容

传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测 0.01m 的线位

移。

在实际应用中，为了提高传感

器的灵敏度和克服某些外界因素（例如

电源电压、环境温度等）对测量的影响，

常常把传感器做成差动的形式。当动极

板移动后，C1 和C2 成差动变化，即其

中一个电容量增大，而另一个电容量则

相应减小，这样可以消除外界因素所造

成的测量误差。差动式可使灵敏度提高

一倍，非线性误差也大为减少。

第 4 章电容式传感器

三、变面积式电容传感器

包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移）

变面积式电容传感器输入输出成线性关

系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较

大直线位移及角位移测量。





第 4 章电容式传感器

1. 角位移

当动极板有一个角位移 θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从

而改变了两极板间的电容量。当 θ＝0 时，则





当θ≠0 时，则













C















 这种形式的传感器电容量 C与角位移 θ是成线性关系的。





CCCC 

 灵敏度：





K





第 4 章电容式传感器

2. 平面线位移

极板起始覆盖面积为 S＝a×b，

沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边

缘效应，改变后的电容量为

初始电容：





xbba

xab













)(

CCC







C与x成线性关系

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第4章电容式传感器第第44章电容式传感器章电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。优点：●●结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；●●可非接触测量；●●灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；●●极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。4.1电容式传感器的工作原理及结构类型4.3电容式传感器的等效电路4.4硅电容式压力传感器4.5电容式传感器的测量电路4.6电容式传感器的应用第4章电容式传感...

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