电容式传感器的工作原理及结构形式

1、第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式电容传感器的工作原理可以用平板电容器来电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为说明。当忽略边缘效应时，其电容为式中式中 A两极板相互遮盖的有效面积（两极板相互遮盖的有效面积（m2）；）；d两极板间的距离，也称为极距（两极板间的距离，也称为极距（m）；）； 两极板间介质的介电常数（两极板间介质的介电常数（F/m）；）；r两极板间介质的相对介电常数；两极板间介质的相对介电常数；0真空介电常数真空介电常数,0=8.85 10-12(F/m)0rAACdd 电容器的边缘效应电容器的边缘效应理想电

2、容器的理想电容器的电场线是直线电场线是直线,而实际电容器只而实际电容器只有中间区域是直线有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时，基板面积较小时，将引起测量误差将引起测量误差。 三种类型的电容传感器三种类型的电容传感器在在A、d、三个参量中，改变其中任意一个三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量，均可使电容C 改变改变。也就是说，电容。也就是说，电容C 是是A、d、的函数，这就是电容传感器的基本工作原的函数，这就是电容传

3、感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器：三种类型的电容传感器：变面积式电容传感器变面积式电容传感器、变极距式电容传感器变极距式电容传感器 、变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器。一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器CCCd0A xxd01定极板定极板 2动极板动极板 3外圆筒外圆筒 4内圆筒内圆筒 5导轨导轨 6测杆测杆 7被测物被测物 8水平基准水平基准变面积式电容传感器简析变面积式电容传感器简析图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板，其中极板1可以左右可以左右移动，称为动极板

4、。极板移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。图图b b是是同心圆筒同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。平行板形变面积式电容传感器的容量变化平行板形变面积式电容传感器的容量变化设两极板原来的遮盖长度为设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为，极板宽度为b，极距固定为极距固定为d0，当动极板随被测物体向左移动，当动极板随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之将减小，电容也随之减小，电容减小，电容Cx 为为式中式中 C0初始电容值初

5、始电容值在变面积电容传感器中，在变面积电容传感器中，电容电容Cx与直线位移与直线位移x成正比成正比。0000(a)1 xbxxCCda000a bCd角位移式的结构角位移式的结构1-1-动极板动极板 2-2-定极板定极板极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，度时，两极板的遮盖面积两极板的遮盖面积A A 就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。保持极距保持极距d0不变不变C角位移角位移A圆筒形直线位移传感器圆筒形直线位移传感器外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒

6、的设内圆筒的外半径外半径、外圆筒的、外圆筒的内半径内半径分别为分别为R和和r，两，两者原来的遮盖长度为者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移成正比：，电容量与位移成正比：00021 ln/xhxxCCR rhCxAA变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的输出特性在变面积式电容传感器的输出特性在一小段范一小段范围围内是线性的内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。CAA1-实际特性实际特性 2-理论特性理论特性二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器

7、当动极板受被测物体作用引起位移时，改当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离变了两极板之间的距离d d，从而使电容量发，从而使电容量发生变化。生变化。 实际使用时，总是使实际使用时，总是使初始极距初始极距d0尽量小尽量小些些，以，以提高灵敏度提高灵敏度，但这也带来了变极距，但这也带来了变极距式电容器的式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使为了提高灵敏度，应使d d0 0小一小一些为好些为好，但行程变小（动静极板接触）但行程变小（动静极板接触）。 a） 结构示意图结构示

8、意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板 2动极板动极板 3 3弹性膜片弹性膜片变极距式电容传感器的特性及灵敏度变极距式电容传感器的特性及灵敏度 设初始极距为设初始极距为d0，当动极板向上位移时，极板，当动极板向上位移时，极板间距减小了间距减小了x值后，其电容变大。设，则有值后，其电容变大。设，则有电容电容Cx与位移与位移x不是线性关系，其灵敏度不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数：不为常数：20dd()xxCAKxdx 0001 xAxCCdxdx差动式电容传感器差动式电容传感器 a a）差动变极距式）差动变极距式 b b）差动变面积式）差动变面积式 1 1动极板

9、动极板 2 2定极板定极板差动电容传感器的灵差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算误差还可以进一步用计算机来计算修正机来计算修正 。差动式电容传感器特性曲线差动式电容传感器特性曲线1-上面的电容特性上面的电容特性 2-下面的电容特性下面的电容特性 3-差动特性差动特性线性好，灵敏度高线性好，灵敏度高 A1A2C1C21-上、下外电极引线上、下外电极引线 2-接地电极接地电极三

10、、变介电常数式三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所引起的电容C1和被测和被测介质所引起的电容介质所引起的电容C2的并联的并联式中式中 C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；

11、C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容；介质的厚度；介质的厚度； d极距极距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 磁粉 制动器励磁信号电动机张力信号张力传感器张力传感器信号处理器厚度信号绝缘薄膜张力及厚度测量系统绝缘薄膜张力及厚度测量系统拉力拉力上下极板上下极板变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质介质厚度厚度保持不变保持不变、而、而相对介电常数相对介电常数r改变改变时，该电容器时，该电容器可作为相对介电常数可作为相对介电常数r的测试仪器的测试仪器。又如，。又如，当

12、空气湿当空气湿度变化，介质吸入潮气（度变化，介质吸入潮气（r水水=80）时，电容将发生较）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器器。反之，。反之，若若r不变，则可作为检测介质厚度的传感不变，则可作为检测介质厚度的传感器器。变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所引起的电容C1和被和被测介质所引起的电容测介质所引起的电容C2的的串联：串联：式中：式中：

13、C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容； 介质的厚度；介质的厚度；d极距极距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 电容式液位计电容式液位计( (可以理解为变面积或变介电原理可以理解为变面积或变介电原理) )a)同轴内外金属管式同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟金属管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式 c)带底座的电容液位带底座的电容液位传感器的结构传感器的结构1内圆筒内圆筒 2外圆筒外圆筒 3被测绝缘液体被测绝缘液体 4被测导电液体被测导电液体5聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6顶盖顶盖 7绝缘底绝缘底座座 8信号传输

14、屏信号传输屏蔽电缆蔽电缆电容电容Ch与液面高度与液面高度h(从管状电极底部算起从管状电极底部算起)的关系式为的关系式为式中式中 h 1:电容器极板高度；电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径；：内圆管状电极的外半径；R：外圆管状电极的内半径；：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液：不考虑安装高度时的液位位;0：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；r1：被测液体的相对介电常数；：被测液体的相对介电常数；1：被测液体的介电常数；：被测液体的介电常数；1=r10。101101001122ln/ln/222 1 ln/ln/ln/hrhhhCCCRrRrhhhhRrRrRr 空液（5-11）变面积式电容式液位计（导电液体）变面积式电容式液位计（导电液体）棒状电极（不锈钢金属管）棒状电极（不锈钢金属管）外面包裹聚外面包