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勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

第5章电容式传感器

第5章电容式传感器

主要内容：

5.1电容传感器工作原理和类型

5.2电容传感器输出特性

5.3电容传感器测量电路

5.4电容式传感器的应用举例

要求：了解电容式传感器的结构及工作原理、测量电路、应用方

法。

概述：

电容式传感器的应用技术近几十年来有了较大的进展，由于电容

测微技术的不断完善，作为高精度非接触式测量手段，广泛应用于科

研和生产加工过程。一般产品有测微仪器。

过去，电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械

量精密测量。现在还逐渐扩大应用于压力、压差、液面、成份含量等

方面的测量。电容式传感器的特点是：

小功率、高阻抗。电容器密度很小，一般在几十~几百微法，具有

高输出阻抗。

静电引力小（极板间），工作所需作用力很小。

可动质量小，具有较高的固有频率，所以动态响应特性好。

本身发热影响小。

可进行非接触测量。

5.1工作原理和类型

电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感

器的基本原理可以用

平板电容器说明：

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

根据这一性质，电容器C可以通过改变（极板面积）称变面积型

传感器（较大范围测线，角位移）；图5—1平板电容结构

改变（极板距离）称变极距型传感器（测小位移）；

改变（极板介质）称变介质型传感器（测液面高度，料位）。

5.2输出特性

变极距型（）

初始电容

图5—2变极距型电容传感器工作原理

由上式可知C—是反比非线性关系。所以这种传感器被限制在一

个较小的范围内变化才能近似线性。当减小时电容C增加,，。

电容相对变化

图5—3变极距型电容传感器输出特性

当时，用泰勒级数展开。

对上式作线性处理（忽略高次项）才能近似线性。

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

定义灵敏度：（单位位移引起的输出电容相对变化量）讨论：

要提高传感器灵敏度K应减小初始极距。但极间受电容击穿电压

限制，非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线行度应限制相对

位移。

起始极距与K、相矛盾。适合测小位移。

为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构（一个动片，两

个定片）当一个电容量增加时（↗）另一个电容量减小（↘）。

差动式输出特性

差动式两电容的特征方程式为：

电容的总的变化量图5—4差动式变极距型电容传感器结构

；；

电容的相对变化量为：

忽略高次项

传感器（差动式）灵敏度：

相对非线性误差为：

结论：

勿以恶小而为之，勿以善小而不为。——刘备

差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小

（多乘因子）。

变面积型（S）

平