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第4章电容式传感器电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。优点：测量范围大、灵敏度高、构造简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。

第4章电容式传感器传感器的工作原理及类型1电容传感器的灵敏度及非线性2电容传感器的特性等效电路3电容传感器的设计要点4电容式传感器的转换电路5电容式传感器的应用举例6

4.1电容式传感器的工作原理及类型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。Sδε

4.1电容式传感器的工作原理及类型类型变极距(或称变间隙〕型、变面积型和变介电常数型。电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。图4-1变极距型电容传感器结构原理

4.1电容式传感器的工作原理及类型图4-2变面积型电容传感器结构原理图图4-3变介电常数型电容传感器结构原理图

4.2电容传感器的灵敏度及非线性变极距型电容传感器：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C0—极距为时的初始电容量。δ2变极距型电容传感器1CC0C-特性曲线

4.2电容传感器的灵敏度及非线性变面积型电容传感器：变面积型电容传感器中，平板形构造对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形构造受极板径向变化的影响很小，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；r2、r1—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

4.2电容传感器的灵敏度及非线性变介电常数型电容传感器：大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。假设忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如以下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为〔C与δ成单值函数关系〕δx厚度传感器C1C2C3C

4.2电容传感器的灵敏度及非线性假设忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如以下图，传感器的电容量与被位移的关系为C1C2C3CC4l平板形lxa、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。

4.2电容传感器的灵敏度及非线性假设忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如以下图，传感器的电容量与被测液位的关系为液位传感器hC1CC22r12r2hx

4.3电容传感器的等效电路4.3.1电容传感器的特点4.3.2电容式传感器的等效电路

4.3.1电容传感器的特点优点：①温度稳定性好②构造简单、适应性强③动态响应好④可以实现非接触测量，具有平均效应点

4.3.1电容传感器的特点缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大③输出特性非线性

4.3.2电容式传感器的等效电路C0CpRgLrCeReLreCe供电电源频率为谐振频率的1/3~1/2

4.4电容传感器的设计要点1．保证绝缘材料的绝缘性能电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好。传感器内电极外表不便经常清洗，应加以密封。传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。在可能的情况下，传感器内尽量采用差动对称构造，这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。

4.4电容传感器的设计要点2．消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场

4.4电容传感器的设计要点3．消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化那么为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。〔1〕增加传感器原始电容值〔2〕注意传感器的接地和屏蔽；〔3〕集成化〔4〕采用“驱动电缆〞(双层屏蔽等位传输)技术〔5〕采用运算放大器法；〔6〕整体屏蔽法

4.4电容传感器的设计要点4．防止和减小外界干扰屏蔽和接地。增加原始电容值以降低容抗。导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排