山东理工大学：《传感器结构原理与设计》课程教学资源（PPT课件）第四章 电容式传感器

第四章 电容式传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置， 它实质上是一个具有可变参数的电容器。 优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测 量等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达 到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电 容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含 量等测量之中

第四章 电容式传感器 优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测 量等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达 到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电 容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含 量等测量之中。 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置， 它实质上是一个具有可变参数的电容器

第一节工作原理与类型 一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时， 其电容C为 8,80 S 6 S一极板相对覆盖面积； δ一极板间距离； E一相对介电常数； o一真空介电常数，o=8.85pF/m; ￡一电容极板间介质的介电常数

一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时， 其电容C为 S—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离； εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 S δ ε     S S C r 0 = = 第一节 工作原理与类型

公式分析： >6、S和E中的某一项或几项有变化时，就改变 了电容C。 >或的变化可以反映线位移或角位移的变化， 也可以间接反映压力、加速度等的变化； >￡的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变 化

公式分析： ➢ δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变 了电容C。 ➢ δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化， 也可以间接反映压力、加速度等的变化； ➢ εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变 化

二、类型 三种基本类型： ●变极距(6)型 ●变面积()型 ●变介电常数(E)型 表4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 ●位移：线位移和角位移两种。 ●极板形状：平板或圆板形和圆柱（圆筒）形，虽还有球面形和锯 齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、 线性范围宽、稳定性高

二、类型 三种基本类型： ⚫变极距(δ)型 ⚫变面积(S)型 ⚫变介电常数(ε)型 表4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 ⚫位移：线位移和角位移两种。 ⚫极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯 齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、 线性范围宽、稳定性高

表4-1电容式传感器的结构形式 差动式 基本类型 单组式 安容 章四 线位移 板形 6型 角位移 9T= 0

平板形 线位移 烟 架端 间队5 S型 3 平板形 避面 e 角位移 (m3 288 (mA)

水讯州年同1 KXXXXXXXX9 ☒KXXXX☒ 型 线位移 圆柱形 前变)

1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极（动片），当动片随被 测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变 化，其电容变化量△C为 ES ES ES △6 △6 △C δ-△δδ 66-△6 6-△6 C,一极距为δ时的初始电容量。 Co 2 8 变极距型电容传感器 C-δ特性曲线

C- 特性曲线 1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被 测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变 化 ，其电容变化量ΔC为 δ 2 变极距型电容传感器 1 C  C0  C0—极距为δ时的初始电容量。              −   = −   − = −   = C0 S S S C

讨论： 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际 应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改 善其非线性

讨论： 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际 应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改 善其非线性

2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别做感，测 量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小， 成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽 略边缘效应时为 2πe·1 In(2/) 上_外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度： 2一圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动△时，电容变化量△C为 2πel 2π(1-△1) △C= ln(2/ In(r,/ In(r,/) 这类传感器具有良好的线性，大多用来检测位移等参数

2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测 量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小， 成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽 略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r 2、r 1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为 ln( / ) 2 2 1 r r l C  =   l l C r r l r r l l r r l C  =  = −   = − 0 2 1 2 1 2 1 ln( / ) 2 ln( / ) 2 ( ) ln( / ) 2      这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测 量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小， 成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽 略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r 2、r 1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为