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第 4 章 电容式传感器

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引言 电容式传感器是将被测非电量的变化转

化为电容变化量的一种传感器。 结构简单、分辨力高、可非接触测量，

并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作 。

很有发展前途的传感器 。

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4.1 电容式传感器工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板

电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式 3 种类型。

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4.1 变面积式电容传感器 面积变化式电容传感器在工作时的极距、

介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。

变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。

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面积变化型电容传感器原理

1. 直线位移型

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面积变化型电容传感器原理

2. 角位移型

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面积变化型电容传感器原理

3. 圆筒型

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4.1.2 变极距式电容传感器

当改变电容器两极板间的距离时，电容器的电容也会发生变化。

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（ a ）为平板形位移电容传感器。 设两个相同极板的长为 b ，宽为 a ，极

板间距离为 d ，当动极板移动 x 后，电容 Cx 也随之改变。

电容的相对变化量和灵敏度为

0( )

xa x b ab xb

C C Cd d d

-- -

0

C x

C a

C b

Kx d

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差动结构形式 提高测量精度 ，减少动极板与定极板之

间的相对极距可能变化而引起的测量误差。

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4.1.3 变介质式电容传感器 介质变化型电容传感器的极距、有效作

用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。

主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。

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介质变化型电容传感器结构 1. 位移型

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介质变化型电容传感器结构 2. 液位型

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结论 传感器的灵敏度为常数，电容 C 理论上

与液面 h 成线性关系，只要测出传感器电容 C 的大小，就可得到液位 h 。

当电容传感器处于初始位置时，电桥平衡，电桥输出电压 ；当被测量的变

化引起电容传感器的电容发生变化时，电桥失去平衡，电桥有电压输出，即 。

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4.2 电容式传感器的测量电路 常用电路有 : 电桥电路、运算放大器测

量电路、脉冲调制电路、调频电路。 1. 电桥电路

00U

00U

。

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4.2 电容式传感器的测量电路 1. 电桥电路

为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式，其电路如图所示。 Cx1 和 Cx2 表示差动式电容传感器的两个电容。

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4.2 电容式传感器的测量电路 1. 电桥电路 -- 电桥测量电路框图

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4.2 电容式传感器的测量电路 2. 二极管双 T 形交流电桥 二极管双 T 形交流电桥电路原理如图 4-12 所示。图中， C1 、 C2 为差动

电容式传感器的电容， RL 为负载电阻， VD1 、 VD2 为理想二极管， R1 、 R2 为固定电阻； e 为高频电源，它提供幅值为 Ue 的对称方波。

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4.2 电容式传感器的测量电路 3. 运算放大器式测量电路

运算放大器的特点就是放大倍数 A 很大，输入阻抗也很大。理想的运算放大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中， C 为总的输入电容， Cx 是电容传感器。

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4.2 电容式传感器的测量电路 4. 调频电路 : 把电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分，其部分电

路如图所示。当被测量引起电容量变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化，然后通过鉴频器把频率的变化转换为幅值的变化，再经过放大后就可以通过仪表显示出来。

调频电路具有较高的灵敏度，可测至 0.01μm 级位移变化量。易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强。

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4.2 电容式传感器的测量电路 5. 谐振电路 : 振荡器提供稳定的高频信号通过 L1 、 C1 回路选

频，再通过电感耦合到 LCx 谐振回路。当传感器电容 Cx 发生变化时，则引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使整流器的电流发生变化。变化的电流再经放大器放大后就可通过仪表显示被测量的变化。

谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。

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4.2 电容式传感器的测量电路 6. 脉冲宽度调制电路

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4.3 电容式传感器的误差及制作要求

4.3.1 电容式传感器的误差因素

1. 温度的影响

3.寄生电容的影响

2.漏电阻的影响

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4.3 电容式传感器的误差及制作要求

4.3.2 电容式传感器的制作要求 1 ） 传感器的电容值要尽量的大些。目的在于降低输出

阻抗及对绝缘材料的要求，提高灵敏度。 （ 2 ） 要采用介电常数大的电介质材料。 （ 3 ） 要选用膨胀系数小的材料作为电极。目的在于

减小温度附加误差。 （ 4 ） 要求电源的频率不应过低。目的在于减小输出

阻抗，提高灵敏度。一般不应小于 500 ～ 1000Hz 。 （ 5 ） 要求传感器及引线要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生电容的影响，提高灵敏度。

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4.4 电容式传感器的应用 电容式传感器不但应用于位移、振动、

角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。

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4.4.1 电容式压力传感器 电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量的。

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4.4.2 电容式加速度传感器 电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为

电容量变化，其结构示意图如图 4-19 所示

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4.4.3 电容式湿度传感器 电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质

的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测量的。

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4.4.4 电容式荷重传感器 电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致

使电容随外加载荷的变化而变化。

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4.4.5 电容式厚度传感器 1. 电容式测厚仪

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4.4.5 电容式厚度传感器 2. 电容式厚度传感器

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4.4.6 电容式位移传感器 电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间

的距离引起电容量的变化来实现测量的。通常采用的是一种单极变极距式。

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4.5 电容栅式传感器 电容栅式传感器是在电容式传感器基础上发展

起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰能力强、精度高和量程大等特点。

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4.5.1 基本类型及原理 1.基本类型及原理

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4.5.1 基本类型及原理 2. 电容栅极片的结构形式 （

a）动尺

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4.5.2 测量电路

电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。

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4.5.2 测量电路

电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。

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附：电容式接近开关

1—检测极板 2—充填树脂 3—测量转换电路 4—塑料外壳5—灵敏度调节电位器 6—工作指示灯 7—信号电缆

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工作过程（ 1 ） 检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换

电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量 C 非常小，它与电感 L 构成高品质因数（Q ）的 LC 振荡电路， Q=1 （ωCR ）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容 C 增大， LC振荡电路的 Q 值将下降，导致振荡器停振。

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工作过程（ 2 ） 当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使 LC 振荡电路的 Q 值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由 LC 振荡电路提供的，必然使 Q 值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的 Q 值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0 的大小，可大致判定被测物接近的程度。

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电容式接近开关

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放松一下！