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2025-09-29
电容式传感器的工作原理
【摘要】：电容式传感器的工作原理可以从图2-16所示的平板式电容器中得到说明。固定3个参量中的任意2个，可做成3种类型的电容传感器。图2-18所示为变极距型电容式传感器结构原理图。电容式传感器的灵敏度用S表示，其计算公式为电容C与间隙δ之间的变化特性如图2-19所示。于是传感器总的电容量C应等于两个电容C1和C2的并联之和，即3.变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器的结构原理如图2-20所示。
电容式传感器是以不同类型的电容器为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。
电容式传感器的工作原理可以从图2-16所示的平板式电容器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器如果不考虑边缘效应，其电容量为
式中 A——两极板相互遮盖的面积（mm2）；
δ——两极板之间的距离（mm）；
ε——两极板间介质的介电常数（F/m）。
由式（2-25）可得，当被测量使A、δ、ε 3个参数中任何1项发生变化时，电容量就会随之发生变化。固定3个参量中的任意2个，可做成3种类型的电容传感器。
图2-16 平板电容器
1.变面积型电容式传感器
变面积型电容传感器的结构原理如图2-17所示。图中（a）、（b）为单边式，（c）为差分式；（a）、（b）也可做成差分式。图中1、3为固定板，2是与被测物相连的可动板，当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C的变化。
对于如图2-17（a）所示的平板式单边直线位移式传感器，若忽略边缘效应，其电容变化量为
图2-17 变面积型电容式传感器结构原理图
式中 b——极板宽度；
a——极板起始遮盖长度；
Δa——动极板位移量；
ε——两极板间介质的介电常数；
δ——两极板间的距离；
C0——初始电容量。
这种平极单边直线位移传感器的灵敏度S为
对于如图2-17（b）所示的单边角位移型传感器，若忽略边缘效应，则电容变化量为
式中 α——覆盖面积对应的中心角度；
r——极板半径；
Δα——动极板的角位移量。
这种单边角位移式传感器的灵敏度为(https://www.chuimin.cn)
式中 A0——电容器起始覆盖面积；
θ——动板的角位移量。
实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差分式，如图2-17（c）所示。中间的极板2为动板，上、下两块（即板1和3）为定板。当动板向上移动一个距离x后，上极距就要减少一个x，而下极距就要增加一个x，从而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一倍。
2.变极距型电容式传感器
图2-18所示为变极距型电容式传感器结构原理图。图中1和3为固定极板，2为可动极板（或相当于可动极板的被测物），其位移由被测物体带动。从图4-3（a）、（b）可看出，当可动极板由被测物带动向上移动（即δ减小）时，电容值增大，反之电容值则减小。
图2-18 变极距型电容式传感器结构原理图
设极板面积为A，初始距离为δ0，以空气为介质时，电容量C0为C0＝ε0A/δ0。
当间隙δ0减小Δδ变为δ时（设Δδ << δ0），电容C0增加ΔC变为C，即
电容C与间隙δ之间的变化特性如图2-19所示。电容式传感器的灵敏度用S表示，其计算公式为
图2-19 C-δ 特性曲线图
在实际应用中，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图2-18（c）所示的差分式结构。这种差分式传感器与非差分式的相比，灵敏度可提高一倍，且非线性误差大大降低。差分式电容式传感器的灵敏度计算公式为
3.变介电常数型电容式传感器
变介电常数型电容式传感器的结构原理如图2-20所示。其中图2-20（a）中的两平行极板为固定板，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变了两种介质极板的覆盖面积。于是传感器总的电容量C应等于两个电容C1和C2的并联之和，即
图2-20 变介电常数型电容式传感器
式中 l0，b0——极板的长度和宽度；
l——第二种介质进入极板间的长度。
当介质1为空气，l＝0时，传感器的初始电容C0＝ε0εrl0b0/δ0；当介质2进入极板间l距离后，所引起电容的相对变化为
可见，电容的变化与介质2的移动量l呈线性关系。
上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图2-20（b）所示，将电容器极板插入被监测的介质中。随着灌装量的增加，极板覆盖面也随之增大，从而测出输出的电容量。根据输出电容量的大小即可判定灌装物料的高度l。
说明：当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防止电极间短路。
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