电容式传感器的结构分类

1.变面积式电容传感器

图5－2所示为变面积式电容传感器的结构原理。

图5－2 变面积式电容传感器的结构原理

（a）平板形直线位移式；（b）圆筒形直线位移式；（c）半圆形角位移式1—动极板；2—定极板；3—外圆筒；4—内圆筒；5—导轨

图5－2（a）所示为平板形直线位移式电容传感器。当定极板不动，动极板做直线运动或转动时，相应地改变了两极板的覆盖面积A，引起电容器电容量C的变化。设两极板原长为a0，极板宽度为b，初始极距为d0，当动极板随被测物体有一位移x后，两极板的覆盖面积减小，此时电容量Cx为

式中 C0＝εba0／d0，此传感器的灵敏度为

由式 （5.2）和式 （5.3）可知，传感器的电容输出与位移呈线性关系，灵敏度为常数。此外，增大b，减小d0，可以提高灵敏度。d0太小，容易引起电容击穿而短路。

图5－2（b）所示为同心圆筒形变面积式电容传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内做上、下直线运动。在实际设计时，必须使用导轨来保持两圆筒的间隙不变。内外圆筒的半径之差越小，灵敏度越高。实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界电场干扰，并且能减小周围人体及金属体与内圆筒的分布电容，以减小误差。

图5－2（c）所示为角位移式电容传感器。定极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。

在实际使用中，可增加动极板和定极板的对数，使多片同轴动极板在等间隔排列的定极板间隙中转动，以提高灵敏度。由于动极板与轴连接，所以一般动极板接地，但必须制作一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽起来。

变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。变面积式电容传感器还可以做成其他形式。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参数。

2.变极距式电容传感器

变极距式电容传感器的结构如图5－3所示，极板1为定极板，极板2为动极板。当动极板随被测量变化而移动时，两极板间距d0变化，从而使电容量产生变化。C随d变化的特性曲线为一双曲线，如图5－4所示。

图5－3 变极距式电容传感器的结构

1—定极板；2—动极板

图5－4 C－d特性曲线

设初始极距为d0，当动极板有位移，使极板间距减小x值后，其电容值变大。C0为初始电容值，C0＝εA／d0，则有

由式（5.4）可见，Cx与x不是线性关系（由图5－4可见，电容与位移的特性关系为双曲线），其灵敏度不为常数，即

当d0较小时，对于同样的位移x或Δd，所引起的电容变化量，比d0较大时的ΔC大得多，即灵敏度较高。所以实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度。但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。

一般变极距式电容传感器起始电容量设置在十几皮法 （p F）至几十皮法 （p F），极距d0设置在10～100μm较为妥当。最大位移应该小于两极间距的110～14，电容变化量可高达2～3倍。近年来，随着计算机技术的发展，电容传感器大多都配置了单片机，所以其非线性误差可用微机来计算修正。

3.变介电常数式电容传感器

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。表5－1列出了几种介质的相对介电常数。

表5－1 几种介质的相对介电常数

如图5－5所示，当某种介质在两固定极板间运动时，其电容量与介质参数之间的关系为

式中 d——运动介质的厚度。

由式（5.6）可见，当运动介质厚度d保持不变，而介电常数ε＝εrε0改变时，电容量将发生相应的变化，因此可作为介电常数ε的测试仪。反之，如果ε保持不变，而d改变，则可作为测厚仪。

图5－5 变介电常数式电容传感器原理图

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5－6所示。图5－6（a）所示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d0－x，则另一边的极距变为d0＋x。图5－6（b）所示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，而中间的为动极板，当动极板向上移动时，与上极板的遮盖面积增加，而与下极板的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然。

图5－6 差动式电容传感器

（a）变极距式差动电容传感器；（b）变面积式差动电容传感器