1第五章电容式传感器51工作原理与特性以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为：式中0真空的介电常数，(0=8.85410-12F/m）；S极板的遮盖面积（m2)；极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1；两平行极板间的距离（m）上式表明，当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广2一、极距变化型：工作原理图如下如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：由此可得到传感器的灵敏度为：从上式可看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高一般通过减小初始极距来提高灵敏度由于电容量C与极距呈非线性关系，故这将引起非线性误差为了减小这一误差，通常规定测量范围一般取极距变化范围为，此时，传感器的灵敏度近似为常数实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
3二、面积变化型：下图为典型的角位移型电容式传感器当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积发生变化，因而导致电容量变化当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：电容量为：其灵敏度为：以上介绍的两种传感器可以进行动态非接触测量，对被测系统影响小极距变化型电容传感器灵敏度高，但非线性大，故常用于微小位移测量面积变化型电容传感器是一种线性传感器，可以测量较大的直线位移和角度位移，但灵敏度较低介电常数变化型电容传感器是在两极板间加上介质构成的由于各种介质的介电常数不同，当极板间的介电常数变化时电容量随之变化常用于检测容器中液面的高度、溶液浓度和板材的厚度等452测量电路一、电桥电路：如图为桥式转换电路图(a)为单臂接法的桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容Cl、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为电容传感器交流电桥平衡时：C1/C2=Cx/C3当Cx改变时，UO0，有输出电压在图(b)中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示：Uo=（Cx1-Cx2）/（Cx1+Cx2）（U/2）=（C/Co）（U/2）式中C0传感器的初始电容值；C传感器电容的变化值。
该线路的输出还应经过相敏检波电路才能分辨UO的相位5二、调频电路这种电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了Cf的变换，故称为调频电路图为LC振荡器调频电路方框图调频振荡器的频率可由下式决定：f=1/（2LC）式中L振荡回路电感；C振荡回路总电容C包括传感器电容Cx、谐振回路中的微调电容C1和传感器电缆分布电容Cc，即CCx+C1+Cc振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示6三、脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而改变，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号脉冲宽度调制电路如上图所示 753电容式传感器的应用：一、电容式压力传感器电容式压力传感器一般都利用弹性膜片作为敏感元件，利用弹性膜片在压力作用下的变形，以改变膜片与电容固定电极之间的距离，由此改变电容式传感器的电容量。
右图为差动式电容压力传感器的结构原理图由图可知，该传感器主要由一个动电极、两个固定电极和这三个电极的引出线组成动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件，固定电极为中凹的镀金玻璃圆片当被测压力(或压差)通过过滤器进入空腔时，弹性膜片两侧的压力差使膜片凸向一侧这一位移使两个镀金玻璃圆片与膜片之间的电容量发生变化，经过测量电路再转换成相应的电压或电流变化当两极板之间的距离很小时，压力和电容之间为线性关系8二、电容测厚仪下图为测量厚度的电容测厚仪原理图在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板2，这样极板与带材就形成了两个电容器把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电容CxC1+C2=2C如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由电容测厚仪显示出带材厚度的变化9三、电容式加速度传感器采用弹簧质量系统将被测加速度变换成力或位移量，然后再通过电容式传感换成相应的电参量右图中的电容式加速度传感器就是基于这一原理制成的该传感器两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端平面经磨平抛光后作为可动极板。
当传感器的壳体测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定电极板相对质量块产生位移此时，上下两个固定电极与质量块端面之间的电容量产生变化，使传感器有一个差动的电容变化量输出。