3.2电容式传感器
高中物理 3.1电容传感器的结构原理
2.角位移型电容式传感器
图3-4右图为角位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引 起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也 就改变了两极板间的电容量C，此时电容值为：
C
S (1
d
)
C0
(1
)
C C C0 C0
３.１电容传感器的结构原理
图。当被测量的变化引起动极板移动距离△x时，覆盖面
积S就发生变化，电容量C也随之改变，其值为：
C
b(a
d
x)
C0
b
d
x
C
C
C0
b
d
x
C0
x a
３.１电容传感器的结构原理
图3-4 变面积型电容传感器原理图
３.１电容传感器的结构原理
说明：
（1）由此可见电容C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关系， 其测量的灵敏度为：
３.１电容传感器的结构原理
当齿形极板的齿数为n，移动△x后，其电容为：
C
nb(a
d
x)
n(C0
b
d
x)
C
C
nC0
nb
d
x
灵敏度为：
K C n b
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20～100pF之间, 极板间距离在25～200μm的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故
在微位移测量中应用最广。
３.１电容传感器的结构原理
（4）单变隙式电容的非线性误差： | d | 100 %
常用传感器的工作原理及应用
常用传感器的工作原理及应用3.1.1电阻式传感器的工作原理应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件：具有弹性应变特性的物体3.1.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。
工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。
输出的电量大小反映被测量的大小。
结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。
应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。
1．电阻应变效应○电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
2．电阻应变片的结构基片bl电阻丝式敏感栅金属电阻应变片的结构4．电阻应变式传感器的应用（1）应变式力传感器被测物理量：荷重或力一二主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。
力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等（2）应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。
（3）应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。
（4）应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。
依据：a =F/m 。
3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时，电容量C 也随之变化。
dS C ε=三 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
简述电容式传感器的工作原理及分类
简述电容式传感器的工作原理及分类1. 引言大家好，今天咱们聊聊电容式传感器。
这玩意儿其实很有意思，感觉就像是给我们生活加了点神奇的调料。
电容式传感器是利用电容的变化来检测各种物理量，比如距离、压力、湿度等，听起来是不是挺酷的？别急，让我慢慢给你道来。
2. 工作原理2.1 基本原理电容式传感器的核心在于“电容”，它的基本原理其实不复杂。
电容就像一个小小的储存器，能存储电荷。
它由两个导体和一个绝缘体构成，导体之间的距离和面积会影响电容的大小。
想象一下，如果你把这两个导体之间的距离拉近，电容就会增加；如果拉远，它就会减少。
这就像拉开了跟好朋友的距离，感觉远了点，但心还是连着的！传感器利用这个原理，检测到的电容变化就能转化为电信号，从而告诉我们所需的信息。
2.2 应用领域这玩意儿可不止是好玩，还在很多地方派上了用场呢！比如在手机屏幕上，电容式触摸屏就是用这种原理，轻轻一碰就能反应，真是科技的魔力。
此外，在工业领域，电容式传感器也能监测液位、压力等等，帮助工厂提高效率。
这就像是在忙碌的城市中，一位默默无闻的守护者，时刻关注着每一个细节。
3. 分类3.1 按照工作方式电容式传感器其实还有不少分类，按照工作方式可以分为接触式和非接触式。
接触式传感器需要和被测物体接触，像是在测量物体的表面距离；而非接触式传感器则是远程“观察”，就像是个好奇的小侦探，远远地就能知道情况。
这两者各有千秋，接触式通常精度高，但可能受环境影响；而非接触式则灵活多变，适合各种环境。
3.2 按照测量对象再者，根据测量对象，我们也可以把电容式传感器分为位置传感器、压力传感器和湿度传感器等等。
位置传感器就像是小道消息，随时掌握物体的移动；压力传感器则是个“忍者”，默默监测压力的变化，及时发出警报；湿度传感器则在关心空气的湿润程度，给植物、房间等提供最适宜的环境。
它们的身影无处不在，构成了我们生活的“无形卫士”。
4. 小结综上所述，电容式传感器的工作原理和分类其实并不复杂，充满了趣味性。
电容式传感器的应用及原理
电容式传感器的应用及原理1. 电容式传感器简介电容式传感器是一种常见的传感器类型，其原理是根据电容的变化来检测物体的位置、压力、液位等参数。
电容式传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等领域。
2. 电容式传感器的原理电容式传感器的原理基于电容的变化。
电容是指导体之间存在的电场能量，与导体之间的间距和面积有关。
当两个导体之间的间距或面积发生变化时，电容值也会发生变化。
电容式传感器通常由两块金属板组成，它们之间有一层绝缘材料，如空气或塑料。
当外部物体接近或远离传感器时，两个金属板之间的间距会发生变化，从而改变了电容。
传感器通过测量电容的变化来检测物体的位置或其他参数。
3. 电容式传感器的应用3.1 位置检测电容式传感器常用于检测物体的位置。
例如，在工业自动化领域中，可以通过安装电容式传感器来检测机器人手臂的位置，以实现准确定位和控制。
此外，电容式传感器也常用于触摸屏、触摸按钮等电子设备中，用于检测手指或其他物体的位置。
3.2 压力监测电容式传感器还可以应用于压力监测领域。
通过将电容式传感器安装在受压物体上，当受压物体发生变形时，导致电容变化。
通过测量电容的变化，可以推断受压物体的压力大小。
这种应用常见于汽车制动系统、液压系统等领域。
3.3 液位检测电容式传感器还可以用于液位检测。
通过将电容式传感器安装在液体容器中，当液位发生变化时，导致电容变化。
通过测量电容的变化，可以确定液位的高度。
这种应用广泛用于化工厂、油罐、水处理等领域。
3.4 温度测量电容式传感器也可以应用于温度测量。
通过利用温度对电容介质的影响，可以测量温度变化。
这种应用常见于温度计、温度控制器等设备中。
4. 电容式传感器的优点•灵敏度高：电容式传感器对物体的微小变化可以敏感地检测到。
•响应速度快：电容式传感器可以实时检测物体的位置、压力等参数变化。
•可靠性好：电容式传感器具有较高的稳定性和可靠性，适用于长期稳定工作的场合。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理电容式传感器是一种常用的传感器，它利用电容的变化来实现对物体的测量和检测。
在电容式传感器中，电容的变化与物体的位置、形状、介电常数等因素有关，因此可以应用于各种测量场合。
下面我们将详细介绍电容式传感器的工作原理。
首先，电容式传感器由两个电极构成，它们之间的空间形成一个电容。
当有物体靠近电容式传感器时，物体的介电常数会影响电容的数值，从而引起电容的变化。
这种变化可以通过电路进行测量和分析，从而得到物体的位置、形状等信息。
其次，电容式传感器的工作原理基于电容的计算公式，C=ε0εrA/d，其中C为电容的数值，ε0为真空中的介电常数，εr为物体的相对介电常数，A为电极的面积，d为电极之间的距离。
根据这个公式，我们可以看到电容式传感器的变化与物体的介电常数、电极的面积和距离等因素有关。
另外，电容式传感器还可以利用电容的变化来实现非接触式的测量。
由于电容式传感器不需要与物体直接接触，因此可以避免对物体造成损伤，并且可以应用于一些特殊的测量场合。
此外，电容式传感器还可以通过改变电极的布局和结构来实现不同的测量要求。
例如，可以采用平行板电容的结构来实现对平面物体的测量，也可以采用圆形电极的结构来实现对球形物体的测量。
最后，电容式传感器的工作原理还可以应用于一些特殊的领域。
例如，在微机电系统（MEMS）中，电容式传感器可以实现对微小物体的测量，从而应用于微型加速度计、压力传感器等领域。
总的来说，电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现对物体的测量和检测。
它具有测量精度高、非接触式测量、结构灵活等优点，因此在工业控制、医疗诊断、环境监测等领域有着广泛的应用前景。
希望通过本文的介绍，读者对电容式传感器的工作原理有了更深入的理解。
指纹传感器
光学指纹传感器的优点主要表现为：抗静电能力强，系统稳定性好， 使用寿命长，提供的分辨力（单位面积内像素的多少）高，能提供较 大区域的指纹图像采集，但指纹图像采集区域较大时所需要的焦距就 会长，相应的设备体积就会增大。 光学指纹传感器的局限性体现于潜在指印方面（潜在指印是指手指在 台板上按完后留下的）不但会降低指纹图像的质量，严重时还会导致 两个指纹重叠此外，台板图层会随随着时间的推移而产生损耗，可能 会导致采集的指纹图像质量下降。几乎不受湿手 状态下的影响。
面对各方压力，指纹传感器该如何应对? 当前的技术日臻成熟，并 受到新技术的威胁。新技术需要通过“更低的成本”来获得发展动力。
目前，电容技术正在不断发展演进，以期克服其它技术的威胁。虽 然超声波感测技术正在兴起，但是其高成本却着实限制了市场拓展。此 外，另一种基于光学感测的指纹识别技术使用薄膜晶体管也正在出现， 这使得指纹传感器可以在大型面板上批量生产，进而降低整体的生产成 本。 总体而言，指纹识别市场对传感器制造商来说具有较高弹性，虽然今后 5年的市场规模非常可观，但如何在激烈的市场竞争中脱颖而出，仍然 是考验相关厂商的一道难题。不过，随着科学技术的飞速发展，这一系 列难题终将迎刃而解。
射频指纹模块有无线电波探测和超声波探测两种，原理即靠特定频率的信号 反射来探知指纹的具体形态。这种技术是通过传感器本身发射出微量射频信 号，穿透手指的表层，探测里层的纹路。其优点是手指不需要和识别模块接 触。
超声波式指纹传感器
工作原理是向手指表面发射超声波，然后接受反射回来的回波。由于手 指嵴和沟会产生不同的超声波信号回波，将回波信号进行数据处理就可 以获得指纹图像数据。
这种传感器的扫描速率非常快，必须在很短时间（一般应小于0.1s）内获 取指纹图像。因为时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了。 所以说这是温差感应式指纹传感器的致命缺点，因为手指与设备一旦接触 的时间长了，手指与设备的温度就相同了，就无法录取指纹了。
电容式传感器原理及其应用
当传感器工作时，电容
C
发生变化，电桥失
x
去平衡，从而输出交流电压信号。
➢ 此信号先经过交流放大器将电压进行放大，再经过 相敏检波器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交 流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随 着电容的变化而变化。
➢ 电桥的输出电压为：
第十四页，编辑于星期二：二十一点 十九分。
2.2 变压器电桥电路
（3）寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容很小， 而其引线电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板 与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。例 如，将信号处理电路安装在非常靠近极板的地方可以 削弱泄露电容的影响。
第二十六页，编辑于改善措施
➢ 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、 选材以及精细的加工工艺分不开的。
2．电容式传感器的缺点 （1）输出阻抗高，带负载能力差：电容的容抗大还要求传
感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘 部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温 度、湿度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。 （2）输出特性为非线性：虽可采用差动结构来改善，但 不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电 场的边缘效应时，输出特性才成线性，否则边缘效应所 产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出 特性非线性。
第八页，编辑于星期二：二十一点 十九分。
2.4 变介电常数式电容传感器
根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电 容式传感器电容量的一个因素。通常情况下，不同介质 的介电常数各不相同。
第九页，编辑于星期二：二十一点 十九分。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，也 会引起电容量发生变化。
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l
——极板间距离。
极板
l
图 4.1 平行板电容传感器
显然，电容量 C 是 S 、 、 l 的函数。如果保持其中两个参数 不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的 变化。因此，电容式传感器分为极距变化型，面积变化型，介质变 化型三类。
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什么是电容器？
l2
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d d 当 d 减小 d 时 电容 C 增加 C
C
s
0 r s
C C0 C
C
d d0 d
ε
C0
ΔC
s 初始电容: C0 0
s 0
C0 1
当δ减小Δδ时：
C
0
0 C C C0 电容相对变化： C C0 1 0
电容改变量与水平位移成线性关系
平板电容：当动极板移动Δ x后两极板间电容量为：
C
b(a x)
d
C0
b
d
x
初始电容 C ab 0
△x
δ
电容的相对变化量 b C C C0 x d
b
a
平板变面积型电容传感器灵敏度
C b K x d
平衡条件为
Z1Z4 Z2 Z3 0
Z1 Z 3 Z2 Z4
（2）变压器电桥
U sc
C1 C2 E C1 C2
等效电路图 说明：
⑴ ⑵ ⑶
Z→∞时，U=f(△δ ），成线性关系 USC与USr有关，所以必须交流稳压。 需要放大、解调、滤波。
E1
Zf If
I1
C1
当L=0时，传感器的初始电容 C0
0 L0 b0
d0
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为:
C C C 0 ( r 2 1) L 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 C0 C0 L0
测液位高度
初始电容:
2H C0 D ln d
柱式
电容增量与被测液位的高度成线性关系
d 2 L ( ) 100% d0
结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍; 非线性误差减小.
差动的好处
灵敏度得到一倍的改善
1 C d C0 d0
2 C 差动： d C0 d0
线性度得到改善
d 非线性误差: 100% d0
d 差动： 100% d0
电路特点： ① 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； ② 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； ③ 输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； ④ 适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。
4.7 电容式传感器的应用举例
C d 2 C0 d0
C C0 2 K d d0
差动结构的电容特征方程式为：
2 C1 d d d 1 C0 d0 d0 d0 2
相对非线性误差为
C2 d d d 1 C0 d0 d0 d0 d 2 L ( ) 100% d0
电容C2上的电流：iC 2
t RL U E RRL UE R C2 R R R R L L e RR L R R RL
T
在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2<<T/2时，
1 2 1 1 R 2RL I C 2 ic 2dt ic 2dt U EC2 电流iC2的平均值IC2可以写成下式： 0 0 T T T R RL 同理，负半周时电容C1的平均电流: I 1 R 2 RL U C C1 E 1 T R RL 故在负载RL上产生的电压为： RRL L UE IC1 IC 2 RRL R 2R C1 C2 U0 2 R RL ( R RL ) T
0
dc S c 2 传感器灵敏度: k d
讨论： 灵敏度K与极板间距δ平方成反比，极距愈小，灵敏 度愈高。 电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距将引 起非线性误差，只适合于微位移的测量。 初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等） 作介质。 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
R
iC2 +C (a) RL
2
＋
UE
R +C iC1
1
R
R
C2 C1 + i’C1
R i’C2
C2 +
RL
Ｕｏ －
iC2 + (b)
RL
UE
若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路
R RL UE
RL ± UE R RL
R
C2
U0
iC2
供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波 可直接得到电容C2的电流iC2如下:
结论： 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。
电容式角位移传感器
电容改变量与角位移呈线性关系
当θ=0时
C0
当θ≠0时
0 r s0
d0
0 r s0 (1 ) C C0 (1 ) d0
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
灵敏度为：
0s d
d
r
s
气隙
ε0ε r d
d不变，ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤
等非导电固体介质的湿度。
ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
平板式
C C1 C 2 0 b0
r1 ( L0 L) r 2 L
d0
0 r1 L0 b0
d0
电容与液位的关系为：
21h 2 ( H h) c D D ln ln d d 2H 2 (1 )h D D ln ln d d
ε1：液体介质的介电常数 ε: 空气的介电常数；
H: 电极板的总长度；
d 、D：电极板的内、外径；
4.3 测量电路
（1）交流电桥
Z1Z 4 Z 2 Z 3 U sc U ( Z1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
C2
d d 2 d 3 C 2＝C0 1 d d d 0 0 0
d2
图6.9 平板电容器的差动式结构
d d 3 d 5 C＝C1 C2 C0 2 d 2 d 2 d 0 0 0 2 4 6 C d d d d 1 ＝2 C0 d0 d0 d0 d0
dC 0 d S 常数 dx l
图4.7b为圆柱型线位移传感器，电容量为：
（4.12）
2 0 (l x) C ln(D / d )
灵敏度为：
（4.13）
2 0 dC S 常数 dx ln(D / d )
图4.7c所示为角位移型传感器，电容量
（4.14）
C
0S
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由式（4.18）可得，当极板面积 S 和极板间距 l 一定时，电容 量大小和被测固体材料的厚度 l 2 和被测固体材料的介电常数有关。 如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度， 可制成介电常数的测量仪。
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平板式
C
d d 0 r 0
δ
S
认识各种电容式传感器
电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
差压传感器
认识各种电容式传感器
测量管道液位高度
硅微电容式传感器
(1)变极距型传感器
(2)变面积型传感器
(3)变介质型传感器
（1）极距变化型电容式传感器
极距变化型电容式传感器结构原理如图3.5所示。由式（3.9） 知，电容量 C 与极板间距 l 成双曲线关系。极距变化 l 时，电容 变化量为 dC 0S dl
2
定极板 动极板
C1 l1 C2 l 2
定极板
图 4.6 差动式电容传感器结构原理图
（2）面积变化型电容传感器 面积变化型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容 式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。 图3.7a为平面线位移型传感器，电容量为：
C
0 dx
l
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（4.11）
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电容器由两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔 开的电导体构成。
Q C V
电容
导体上的电荷
导体之间的电压差
在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而 只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容 量的变化，通过测量电路转换为电量输出。
电容式传感器可分为三种：
• 变极板间距离的变极距型 • 改变极板面积的变面积型 • 改变介质介电常数的变介质型
传感器灵敏度： S dC 0 S dl l2
（4.2）
可见，灵敏度与成反比，极距越小，灵敏度越高。为减小非线 性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。 在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，克服压力、环境 温度、电源电压等外界因素对测量精度的影响，通常情况下把电容 器接成差动形式，如图4.3所示。 差动式电容传感器一般采用三块极板，其中中间一块极板为动 l2 l0 l 。 l1 l0 l， 极板，两边为定极板。当动极板移动 l 距离， 对应的电容量 C1 、C 2 的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提 高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。