第五章 电容式传感器 PPT课件1
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电容式传感器的工作原理和结构课件
精度和稳定性
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
电容式传感器的工作原理和结构.
由式（5 - 10）可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位 高度h。
变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张 #, 绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。图 5 - 7 是一种常用的结构型式。 图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为εr2的电介 质以不同深度插入电容器中, 从而改变两种介质的极板覆盖面 积。传感器总电容量C为
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(如图 5- 3所示), 此时 电容C
c
A dg
0 g
0
d0
（5 - 5）
式中: εg——云母的相对介电常数, εg= 7;
ε0——空气的介电常数, ε0= 1; d0——空气隙厚度;
dg
——云母片的厚度。
c
A
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空 介电常数, εr为极板间介质相对介电常数; A——两平行板所覆盖的面积; d——两平行板之间的距离。
当被测参数变化使得式（5 - 1）中的A#,d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。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。因此, 电容式传感器可分为 变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
第5章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3 电容式传感器的测量电路
5.４ 电容式传感器的应用
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第5章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构
第5章 硅电容式微传感器
⑪平铺叉指型
图5-11 平铺叉指结构
⑫三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设
计与系统电子线路设计两大部分。 对于一个机电混合系统来讲，这两部分 的设计是密不可分的，任何孤立的单方 开发都无助于整个系统的最终形成。
5.2.1 硅微加速度传感器设计
5.3 典型接口电路
几乎所有用ห้องสมุดไป่ตู้测量电容式传感器的电路
是基于电容差值的测量方法，这是因为 被测量的电容值通常是在几个10-18Ｆ到 几百个10-12Ｆ范围内，而采用电容差值 的测量方法恰好可以满足这个测量范围 的要求。
5.3.1 CAV系列接口电路
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
第5章 硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于
金属和非金属之间。 平板电容器的公式：
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器
有微型硅加速度计、硅集成压力传感器 和CMOS集成电容湿度传感器。
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速
提高硅压力传感器可靠性的措施
通常有： ①在一定的功能下，其设计方案 愈减愈好，器件数量愈少愈好； ②对器件实行减额使用，减轻其 负荷量等。
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
5.3.3 MS3110接口电路
MS3110采用调制解调的电容检测方法
。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值 相同、相位相反的方波信号作为输出 电容的载波信号, 实现对电容变化的 调制, 调制信号通过电荷积器将电容 变化转换为电压变化, 采样保持电路 对调制信号进行解调, 经过低通滤波 、增益放大就得到与电容差成正比的 电压信号。
图5-11 平铺叉指结构
⑫三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设
计与系统电子线路设计两大部分。 对于一个机电混合系统来讲，这两部分 的设计是密不可分的，任何孤立的单方 开发都无助于整个系统的最终形成。
5.2.1 硅微加速度传感器设计
5.3 典型接口电路
几乎所有用ห้องสมุดไป่ตู้测量电容式传感器的电路
是基于电容差值的测量方法，这是因为 被测量的电容值通常是在几个10-18Ｆ到 几百个10-12Ｆ范围内，而采用电容差值 的测量方法恰好可以满足这个测量范围 的要求。
5.3.1 CAV系列接口电路
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
第5章 硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于
金属和非金属之间。 平板电容器的公式：
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器
有微型硅加速度计、硅集成压力传感器 和CMOS集成电容湿度传感器。
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速
提高硅压力传感器可靠性的措施
通常有： ①在一定的功能下，其设计方案 愈减愈好，器件数量愈少愈好； ②对器件实行减额使用，减轻其 负荷量等。
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
5.3.3 MS3110接口电路
MS3110采用调制解调的电容检测方法
。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值 相同、相位相反的方波信号作为输出 电容的载波信号, 实现对电容变化的 调制, 调制信号通过电荷积器将电容 变化转换为电压变化, 采样保持电路 对调制信号进行解调, 经过低通滤波 、增益放大就得到与电容差成正比的 电压信号。
电容式传感器PPT课件
l1
C 22 (l l1) 21l1
d
ln( D ) ln( D )
D
d
d
ε1—被测液体介电常数 ε2—空气的介电常数 D、d—两同心圆柱的直径
l—柱体的有效总长度 l1——浸入液体的实际高度
C
2
ln( D
)
(1
2
)l1
d
K C 2 (1 2 )
l1 ln( D d )
第二节 电容传感器测量电路
5、新型电容式指纹传感器
FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器， 其外面是绝缘表面，当用户的手指放在上面时，由皮肤来组成 电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低， 这里指的是脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。 通过读取充、放电之后的电容差值，来获取指纹图像。该传感 器的生产采用标准CMOS技术，大小为15×15mm2，获取 的图像大小为300×300，分辨率为500DPI。FPS110提供有 与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器， 可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功 耗很低（<200mw），价格也比较便宜（人民币600元以 下）。下图为利用FPS110获取的指纹图象
5、新型电容式指纹传感器
电容传感器系列 创新应用
第五章小结
1、变极距型电容传感器 输出呈非线性关系，灵敏度与极距平方成反比， 适合检测微小位移。
2、变面积型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，适合检测较大的位移。 3、变介质型电容传感器
输出与被测量呈线性关系，典型应用是检测液位。 4、检测电路
运算放大器检测电路和电桥检测电路
剂固定两个截面为T型的绝缘体，
5第五章电容式传感器1精品PPT课件
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
电容的总的变化量
C
C1
C2
2C0
[
d d0
( d d0
)3
]
电容的相对变化量 C 2 d [1 ( d )2 ( d )4 ]
C0
d0
d0
d0
电容特征方程忽略高次项得： C 2 d
C0
d0
提问与解答环节
Questions And Answers
d
d0
d0
非性线误性差误δ就差在和2％d～d0 1有0％关之，间如。果也当就d是d0 说0.，02在~ 0d.1产时生，微则小非变线
化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板
式变间距型传感器适用于微小位移的测量
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d）
第5章 电容式传感器 5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）
C1
C0
C
C0
1
1 d
d0
C0[1
d d0
( d )2 d0
]
定极板
C2
C0 [1
d d0
( d d0
)2
]
动极板
C1 d1 C2 d2
定极板
第5章 电容式传感器
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
C01ຫໍສະໝຸດ 1 dd0增加的电容量为：
电容的相对变化量:
第5章 电容式传感器
电容式传感器教学课件PPT
后,进行补偿。
h
27
第6章 电容式传感器
6.2.2运算放大器式电路
图6-10 运算放大器式 电路原理图
运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄
漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
U o
C Cx
Ui
Cx
A d
Uo
CUi
A
d
特点：
1.输出电压与极板距离d成正比
2.要求Zi及放大倍数足够大 3.为保证仪器精度,还要求电源电 压的幅值和固定电容稳定
ZCx2
U 2
•
•
U 11
1U
jCx2 2
•
＝U Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
2 Cx1 Cx2
h
34
第6章 电容式传感器
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
•
• U d Uo
2 d0
（其 Cx1中 d0 A d， Cx2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器 的假人
气囊
h
49
第6章 电容式传感器
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经 控制系统使气囊迅速充气 。
h
50
第6章 电容式传感器
利用加速度传感器实现延时起爆 的钻地炸弹
传感器安装位置
h
51
第6章 电容式传感器
6.3电容式传感器的应用（3）
第6章 电容式传感器
h
1
第6章 电容式传感器
电容式传感器PPT课件
通过测量电路取出两电容器的差值
C＝C1
C2
C0 2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
5
C ＝2 C0
d d0
1
d d0
2
d d0
4
C1
C0
1 1－ d
d0
C2
C0
1 1 d
d0
C1＝C0
1
d d0
d d0
2
d d0
3
C2＝C0
1
d d0
d d0
2
d d0
3
较小的d0会提高灵敏度，但过小容易引起击穿或短路，可 以极板间加入高介电常数材料，如云母。形成串联电容。
C0＝
0 r
d0
A
＝
0A
d0
Cg＝
0 g
dg
A
g 0
d0 dg
C CgC0
A
Cg C0
dg d0
0 g 0
εg—云母的相对介电常数，为7.
一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于 间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移 测量。
d d0
6
C 2 d
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 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。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
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由于C C0
d ， 所以初始极距d 0小一些，则C相应会大一些，即灵敏 度较高。 d0
然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。 通常，d 在25～200μm之间， Δd /d0< 0.1（非线性误差不可太大）。利 用Δd → ΔC的特性，可以测量微小位移或厚度。
绪 论2
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易 实现非接触测量等。
由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高 的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以 充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之 中。
三种基本类型：
变极距(变间隙)(d)型
变面积型(A)型
变介电常数(ε)型
5.1电容式传感器的工作原理及形式3
5.1.2 变极距型电容式传感器
+
+ +
（平行板电容器式）
C0
A
A
d0
C0 : 初始电容量; d 0: 初始板间距（初始极距 ） .
当极距 d0→ d1 = d0-Δd 时，则电容量C0 →C1。
5.1电容式传感器的工作原理及形式4
举例:
+ + + +
C
0A
+ +
5.1电容式传感器的工作原理及形式5
举例:
5.1电容式传感器的工作原理及形式6
5.1.3 变极板面积型电容传感器
(l0 l )b0 电容： C C0 C 0
相对变化： C l
C0
l0
r ：内筒外半径 R ：外筒内半径 L ：筒长
L
同心圆筒形电容器
在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用 发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基础。对于平行 板电容器可以变化的参数有：ε 、A、d等；对于同心圆筒形电容器可以变化的 参数有：ε 、L、r/R等。
d1 d2
2
d1
变介质片电容器传感器
1
1
1
C C A CB
ba d2
2
d1
1
b( L a ) ba bL ba d 2 d1 d 2 d1 d 2 d1 d 2 d1
举例:
同心圆筒形线位移电容式传感器
模型：如右图。初始电容C0：
2 0 r L r L C0 , C0 ( L / cm ; C / pF) D0 D0 ln 1.80 ln D1 D1 L ：筒长
a
D1
定极板
L
当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
D0
C1
2 0 r L a a C 0 1 , 与a成线性关系。 D L ln 0 D1
圆柱形电容式线位移传感器
5.1电容式传感器的工作原理及形式8
5.1.4 变介电常数型电容传感器
模型：如右图，这种电容可以看成是CA 、CB两个电容的并联。设板极宽度为b 则：
CA ba d2 CB b( L a ) d 2 d1 C0 bL d 2 d1
2
CA
CB
1
a
L
d d : 板级间介质的介电常数
C
A
0 r A
+
A d
r : 板级间介质的相对介电 常数 0 : 真空中的介电常数 (8.851012 C/Nm2 )
A ：板级的面积 d ：板级间的距离
-
电力线
平行板电容器
当平行板的间距d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时， 对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。
第五章
电容式传感器
绪论
5. 1 电容式传感器的工作原理及形式 5.2 电容式传感器的等效电路及特性 5.3 电容式传感器的信号变换电路 5.4 影响电容传感器精度的因素及提高 精度的措施
绪 论1
电容器是电子技术的三大无源元件之一，利用电容器的
原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量 的转化，在1920~1925年就有人利用电容传感器成功地 测量了压力、位移、重量、温度，但实验室的结果应用 到工业上有许多具体困难，因此，电容式传感器在几十 年内相对于电阻式发展缓慢，但随着新材料、新工艺、 新电路的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用也越 来越广泛，目前，电容传感器已在位移、厚度、物位、 温度、振动、转速、流量及成份分析中得到广泛应用。
灵敏度：
C C0 b0 K l l0 0
5.1电容式传感器的工作原理及形式6
举例:
角位移传感器
动极板
模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距 为d , 面积均为A ，可绕同圆心转动，其夹角为 θ。
0 0 时，C 0 A 。 d
定极板
平板电容式角位移传感器
0 时， 板级间的的相对面积为 ：A1 A1 A1 A1 C 1 C 0 1 C 0 C d d
C1（ΔC）与θ （角位移）成线性关系。
5.1电容式传感器的工作原理及形式7
C
d
A
d1
A
d 0 d
A
d d0 1 d 0
A 1
d d0
d 2 d 0 1 d 0
,当
d d 1时，C C0 1 d 。 d0 0
基本原理:
容值变化
电信号
非电量
C
电量
5.1 电容式传感器的 工作原理及形式
5.1.1工作原理
5.1.2 变极距型电容式传感器 5.1.3 变极板面积型电容传感器 5.1.4 变介电常数型电容传感器
5.1电容式传感器的工作原理及形式1
5.1.1工作原理
1.平行板电容器
忽略了边缘效应
5.1电容式传感器的工作原理及形式2
2.同心圆筒形电容器
2 L 2 0 r L R R ln ln r r : 板级间介质的介电常数 C
忽略了边缘效应: L >> (R – r )
r
R
r : 板级间介质的相对介电 常数 0 : 真空中的介电常数 (8.851012 C/Nm2 )