第4章 电容式传感器原理及其应用

4.1 电容式传感器的工作原理及分类 4.2 电容式传感器的测量电路 4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施 4.4 电容式传感器的应用

4.1 电容式传感器的工作原理及分类

4.1.1 工作原理及结构形式

电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成 传感元件电容量的变化，再经过测量电路将电容量 的变化转换成电信号输出。 电容式传感器实际上是一个可变参数的电容器。

电容式传感器工作原理图

平板电容器电容量表达式为： 三个参数都直接影响着电容量的大 小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个 参数改变，则电容量就将发生变化。 如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系， 那么电容量的变化可以直接反映被测量的变化情 况，再通过测量电路将电容量的变化转换为电量 输出，就可以达到测量的目的。 电容式传感器通常可以分为三种类型：改变 极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式； 改变介电常数的变介电常数式。

4.1.2 变面积式电容传感器

变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移 型两大类。 （1）线位移变面积型 常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线 位移型和柱面线位移型两种结构。

对于平板状结构，在图4-2（a）中，两极 板有效覆盖面积就发生变化，电容量也随 之改变，其值为：

ab

式中，C d ，为初始电容值。 对于柱状结构，在图4-2（b）中，覆盖面 积就发生变化，电容量也随之改变，其值 为：

0

式中，C0

2 h0 ln( R / r )

，为初始电容值。

（2）角位移型 角位移型是变面积式电容传感器的派生形式，其派 生形式种类较多，如图所示。

（a）角位移型；（b）齿形极板型；（c）圆筒型；（d）扇型 图4-3 变面积式电容传感器的派生型

在图4-3（a）中，当动极板有一个角位移 时，它 与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致 电容量的变化，电容值可表示为：

4.1.3 变间隙式电容传感器

当电容式传感器的面积和介电常数固定不变， 只改变极板间距离时，称为变间隙式电容传感器， 其结构原理如图所示。图中，活动极板与被测对象 相连。

当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，电容 量随着两极板间的距离的变化而变化，当活动极板 移动后，其电容量为：

这类传感器一般用来对微小位移量进行测量，正常 工作在微米到几毫米的线位移。同时，变间隙式电 容传感器要提高灵敏度，应减小极板间的初始间距。 为了改善这种情况，一般是在极板间放置云母、塑 料膜等介电