电容式传感器的工作原理和类型简介

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，利用电容器的工作原理，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，其结构图如图3-1所示。

1.电容式传感器的工作原理

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

式中，S为极板的相对覆盖面积（m2）；δ为极板间距离（m）；εr为相对介电常数；ε0为真空介电常数，且ε0＝8.85pF/m；ε为电容极板间介质的介电常数。

图3-1　电容式传感器的结构图

思考分析

式（3-1）中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容式传感器?

2.电容式传感器的类型

从式（3-1）中可知，当δ、S和ε0中的某一项或几项发生变化时，就可改变电容C。根据改变参数的不同，电容式传感器可分为3种：改变极板间距离（δ）的变极距式传感器，如图3-2所示；改变极板相对覆盖面积（S）的变面积式传感器，如图3-3所示；改变电介质介电常数（ε）的变介质式传感器，如图3-4所示。此外还有一种差动式电容传感器。

图3-2　变极距式传感器结构图

1、3—定极板；2—动极板

图3-3　变面积式传感器结构图

1、3—定极板；2—动极板

图3-4　变介质式传感器结构图

1、3—定极板；2—动极板

（1）变极距式电容传感器

如图3-5所示为变极距式电容传感器的原理图。当传感器的εr和S为常数，初始极距为δ0，由式（3-1）可知其初始电容量C0为

当动极板移动x（设向上移动）后，其电容量为

图3-5　变极距式电容传感器

当x＜＜δ0时，此时

由以上讨论可知：

①电容量C与位移x不是线性关系，只有当x＜＜δ0时，才可认为是近似线性关系。但量程缩小很多。

值得注意的是：容抗XC＝1/（ωC）与x成线性关系。因此，当电容式传感器以XC输出时，XC与x成线性关系，且不受x＜＜δ0的约束。

②由灵敏度公式可知，灵敏度K与初始极距δ0的平方成反比，故可用减小δ0的方法来提高灵敏度。例如，电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0＝20～100pF。由于变极距式的分辨力极高，可测量小至0.01μm的线位移，故广泛应用于微位移检测中。

但δ0过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此，一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。

（2）变面积式电容传感器(https://www.xing528.com)

①直线型变面积式电容传感器。

如图3-6所示为直线型变面积式电容传感器的示意图。当动极板移动Δx后，覆盖面积发生了变化，电容也随之改变，其值为

电容量的变化量为

传感器的灵敏度为

可见，增加b或减小δ均可提高传感器的灵敏度。

②角位移型变面积式电容传感器。

如图3-7所示为角位移型变面积式电容传感器的示意图。当动极板有一角位移θ时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而电容发生变化，此时电容为

图3-6　直线型变面积式电容传感器

图3-7　角位移型变面积式电容传感器

还有一些其他形式的变面积式电容传感器，如齿形板型、圆筒型、差动型等，如图3-8所示。

图3-8　变面积式电容传感器的派生型

（3）变介质式电容传感器

当电容传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起电容量发生变化。这种类型的电容传感器有较多的结构形式。可以用于测量纸张、绝缘薄膜的厚度，也可用于测量粮食、纺织品、煤等非导电固体物质的湿度，或液体的高度。如图3-9所示为变介质式电容传感器的原理图。

图3-9　变介质式电容传感器

由图中可以看出，此时传感器的电容量为

式中，b为极板的宽度；l为极板的长度；x为介电常数为ε2的介质的位移。

设极板间无介电常数为ε2的介质时，电容为

当介电常数为ε2的介质插入两极板间时，则有

此式表明，电容C的变化量与位移x呈线性关系。

（4）差动式电容传感器

在实际应用中，为了提高电容传感器的灵敏度，改善非线性和消除温度的影响，常常采用差动形式。如图3-10所示。图3-10（a）为变极距式差动电容传感器的原理图。中间为动极板，上、下两片为定极板。当动极板移动距离x后，一边的极距变为δ0－x，另一边的极距变为δ0＋x。图3-10（b）为变面积式差动电容传感器的原理图。上、下两个圆筒是定极板，中间的为动极板，当动极板向上移动时，与上极板的覆盖面积增加，而与下极板的覆盖面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然。

图3-10　差动式电容传感器