电容式传感器及应用
电容式传感器的应用场合
电容式传感器的应用场合
电容式传感器是一种常用的传感器类型，可以广泛应用于工业自动化、机器人控制、电子设备、医疗器械等领域。
本文将从以下几个方面介绍电容式传感器的应用场合。
一、距离测量
电容式传感器可用于测量物体的距离。
通过测量物体与传感器之间的电容值，可以计算出物体与传感器之间的距离。
这种测量方法非常精确，可用于测量各种尺寸范围内的物体距离。
二、液位检测
电容式传感器可以用于检测液位，例如测量水箱、油箱、储液罐等液体容器内液位的变化。
通过测量液体与传感器之间的电容值，可以确定液位的高低。
这种检测方法精度高、灵敏度高，可应用于各种液体容器的液位检测。
三、重量测量
电容式传感器也可以用于测量物体的重量。
通过将物体放置在传感器上，测量传感器与物体之间的电容值变化，可计算出物体的重量。
这种重量测量方法精度高、稳定性好，可应用于各种物体的重量测量。
四、姿态检测
电容式传感器也可用于检测物体的姿态，包括倾斜、旋转等。
通过安装多个传感器，并测量其之间的电容值变化，可以确定物体的姿态。
这种姿态检测方法精度高、灵敏度高，可应用于机器人控制、航空航天等领域。
总之，电容式传感器具有广泛的应用场合，其高精度、高灵敏度、稳定性好等特点，使其成为各种自动化设备、检测仪器的关键组成部分。
随着技术的不断发展，电容式传感器的应用领域将会更加广泛，为各种领域的发展提供更加精确、可靠的技术支持。
电容传感器的原理及应用
电容传感器的原理及应用电容传感器（Capacitive Sensor）是一种利用电容变化来感知和测量物体位置、形状、压力等参数的传感器。
它基于电容的定义，即两个导体之间的介电常数乘以电容公式中电容的基本构成：两个导体之间的距离以及导体间的面积。
本文将介绍电容传感器的原理和其在实际应用中的各种场景。
一、电容传感器的原理基于电容传感器的工作原理是通过改变电容的值来检测和测量目标的物理量，其基本原理可以分为静电式电容传感器和变容式电容传感器两种。
静电式电容传感器是利用物体与传感器之间的静电场来产生电容变化，进而通过测量电容值的改变来获取物体位置、形状、体积等信息。
在静电式电容传感器中，将一个导电板作为传感器的感应电极，当目标物体靠近导电板时，它的存在会改变电极周围的电场分布，从而改变了电容值。
通过测量电容的变化可以计算出物体与传感器之间的距离或者形状等信息。
变容式电容传感器则是利用可变电容器（Varactor）来测量目标物体的参数。
可变电容器是一种能随外界电压变化而改变电容值的器件，它包含有两个金属板（电极）和介电常数可调的绝缘材料。
当外加电压改变时，绝缘材料的介电常数发生变化，从而导致电容值的变化。
通过测量可变电容器的电容值，可以得到目标物体的参数。
二、电容传感器的应用电容传感器广泛应用于许多领域，例如汽车、医疗、机械等。
下面将介绍几个典型的应用案例。
1. 触摸屏电容传感器在触摸屏技术中得到了广泛应用。
触摸屏利用电容变化来感知用户的触摸操作，以实现对显示屏的控制。
当用户触摸屏幕时，手指与传感器之间会形成电容耦合，这种耦合会改变传感电极之间的电容值。
通过测量电容的变化，可以得到用户触摸的位置，从而实现对显示屏的交互操作。
2. 接近开关电容传感器也常被用作接近开关。
传感器可以检测目标物体与传感器之间的距离，当目标物体靠近传感器时，电容值会发生变化，从而触发开关的动作。
这种接近开关广泛应用于自动化控制系统中，例如安全门、自动水龙头等设备。
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用电容式传感器是在工业生产中广泛使用的一种传感器，其原理是利用电容变化来测量被监测物理量的变化。
这种传感器的应用范围非常广泛，从机械振动到压力，从液位到温度，几乎涵盖了所有与工业生产有关的物理量。
1. 传感器的工作原理电容式传感器的工作原理非常简单。
它由两个平行金属板组成，可以是圆形、方形或矩形。
其中一个板作为固定板，另一个则可移动，与被测的对象相接触。
当被测物体发生变化时，移动板与固定板之间的电容量就会发生变化。
电容量的大小与金属板的面积、间距以及介质的介电常数有关。
一般来说，介电常数越大，电容量也越大。
电容的大小可以用下面的公式来计算：C = εA/d其中，C是电容量，A是金属板的面积，d是金属板之间的距离，ε是介电常数。
2. 传感器的应用电容式传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用：（1）机械振动机械振动是许多设备故障的根源。
电容式传感器可以用来检测机械振动的幅度和频率，从而帮助工程师预测设备运行状态。
（2）压力电容式传感器可以用来测量压力的大小。
例如，在液压系统中，传感器可以用来监测液体压力，从而帮助确保系统正常工作。
（3）液位电容式传感器可以用来测量液体的液位。
例如，在油罐中，传感器可以用来监测油位，从而确保油罐中的油量不会过低或过高。
（4）温度电容式传感器可以用来测量物体的温度。
例如，在发动机中，传感器可以用来监测发动机的温度，从而确保发动机不会过热。
3. 传感器的局限性电容式传感器有一些局限性。
首先，它们只适用于测量固体或液体的物理量，而不能用来测量气体的物理量。
其次，它们只能测量电容量的变化，而无法直接测量物理量的大小。
最后，它们需要校准，以确保精度。
4. 结论电容式传感器是一种简单而有效的传感器，适用于测量许多与工业生产有关的物理量。
它的工作原理非常简单，非常适合用来监测机器和设备的状态。
虽然它们有一些局限性，但将它们与其他传感器结合使用可以极大地提高监测系统的准确性和效率。
《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用
4
两平行板组成的平行板电容器，电容传感 器的基本理想公式为：
C A 0r A
dd
请思考：上式中，哪几个参量是变量？可
以做成哪几种类型的电容传感器？
4/14/2020
5
C A 0r A
dd
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可 使平板电容的电容量C 改变。
固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的 电容传感器。
4/14/2020
8
变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位 移、角位移、尺寸等参量。
你能否画出变面积式电容传感器的输出特性 曲线??
4/14/2020
9
2、变极距（d）式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两
极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。
成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。
请思考：我们已经学习了哪些差动形式？
4/14/2020
18
休息一下
4/14/2020
19
§4.2 电容式传感器的 测量转换电路
4/14/2020
20
被测非电量
电容式 传感器
转换电路
电容变化
电量
转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、 电流或频率等信号。
电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算 放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。
4/14/2020
16
4、差动电容传感器
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减 小非线性，常常把传感器做成差动形式。
变极距式差 动电容器
4/14/2020
旋转形差 动电容器
圆柱形差 动电容器
电容式传感器原理及其应用
电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。
当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。
1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。
2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。
3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。
4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。
5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。
6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。
7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。
8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。
总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。
其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用1. 原理介绍电容式传感器是一种常见的传感器类型，其原理基于电容的变化来测量所需物理量。
其主要由两个电极组成，当物理量变化时，电极间的电容值也会相应变化。
具体的原理可以分为以下几个方面：1.表面电容式传感器表面电容式传感器是将电容电极直接安装在物体表面的一种传感器。
当物体靠近或接触电极时，会产生电容的变化。
例如，在触摸屏上，当手指接触到屏幕上的电极时，手指与电极之间会形成一个电容。
2.并联电容式传感器并联电容式传感器由两个电容连接在一起并与被测量物体平行放置，形成一个并联电容器。
当物体靠近电容器时，会改变电容的值。
这种传感器常被应用于金属检测。
3.变容电容式传感器变容电容式传感器的电容值与物体的形状或位置相关。
当物体移动或改变形状时，电容的值也会相应变化。
这种传感器常用于测量液位、位移或压力等物理量。
2. 应用领域电容式传感器具有广泛的应用领域，以下是一些常见的应用案例：1.液位检测电容式传感器被广泛用于液位检测领域。
通过将传感器浸泡在液体中，可以测量液位的变化。
这种传感器常被应用于油罐、水箱和化学容器等领域。
2.接近传感电容式传感器在接近传感领域也有重要的应用。
通过检测传感器与目标物体之间的距离，可以实现自动控制和触摸功能。
这种传感器广泛应用于自动门、自动照明和触摸屏等领域。
3.物体计数电容式传感器可以用于物体计数应用中。
通过检测物体与传感器之间的电容变化，可以实现物体的计数和分类。
这种传感器被广泛应用于流水线和自动化生产过程中。
4.温度测量电容式传感器还可以用于温度测量。
通过使用特殊的电容介质，传感器可以测量物体的温度变化。
这种传感器常用于实验室和工业生产中，可以提供精确的温度测量。
总结：电容式传感器利用电容的变化来测量物理量的原理，具有广泛的应用领域，包括液位检测、接近传感、物体计数和温度测量等。
其原理简单，结构紧凑，对于许多应用场景都有很好的适应性。
电容式传感器的原理与应用
电容式传感器的原理与应用电容式传感器是一种常见的传感器，其原理是利用电容的变化来检测所测量的物理量的变化。
本文将介绍电容式传感器的原理、类型以及应用。
一、电容式传感器的原理电容式传感器利用电容变化的原理来检测所测量的物理量的变化。
其基本构造为两个电极之间留有空气或被测介质的电容器。
当电容器的电极间距离变化时，电容值会随之变化，因为电容与电极间距离的平方成反比。
电容式传感器的基本结构包括电极、隔离板、悬浮件和支撑件等组成部分。
其中悬浮件被设计成可弯曲或可振动的形式，当所测量的物理量施加到悬浮件上时，悬浮件会变形或振动，会导致电极之间的距离产生变化，进而改变电容的值。
二、电容式传感器的类型电容式传感器根据其工作原理和应用场景的不同，可分为多种类型，如下：1.振动型电容传感器振动型电容传感器是利用悬浮件或振动片的振动来改变电容值的。
其优点是量程大、精度高，广泛应用于加速度、压力等测量。
例如，加速度传感器中的电容式传感器就属于振动型电容传感器。
2.压电型电容传感器压电型电容传感器利用压电效应来检测物理量。
该传感器常用于测量某些材料的内部应力和变形情况，如岩石、混凝土等。
压电型电容传感器的优点在于测量范围宽、灵敏度高。
3.电流型电容传感器电流型电容传感器是在电容体中加入激励电流，通过检测电容的交流电流来测量物理量。
电流型电容传感器主要用于流量、液位、水位等测量。
其优点在于对介质粘度、温度等影响较小。
三、电容式传感器的应用电容式传感器广泛应用于多种物理量的测量，包括加速度、压力、位移、形变、流量、温度等，下面举几个例子：1.安全气囊电容式传感器常常被用于测量车辆的加速度和碰撞计算，从而触发安全气囊的充气。
2.坐标测量在机器人和自动化控制系统中，电容式传感器可以用于测量工具或物品的精确位置和距离。
医学领域中，电容式传感器也可以用于手术操作的精确定位。
3.液位传感器电容式液位传感器是测量液体或粉状物体液位或介质密度的重要设备。
电容式传感器原理和其应用
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。
➢ 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 图所示。
（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若存在导电物 质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路， 如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移 之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可 以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量 的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。
3.2 电容式传感器的设计改善措施
➢ 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。
（1）消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式传感器的 灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小 或消除。
➢ 适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影 响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。
⑤ 传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性 能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘 性能的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶 瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高 于塑料、有机玻璃等。
（3）减小或消除寄生电容的影响
➢ 寄生电容可能比传感器的电容大几倍甚至几十倍， 影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没 传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此， 减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关 键。通常可采用如下方法：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2020/5/8
ห้องสมุดไป่ตู้
14
结论
极距变化型电容传感器的优点是可实现 动态非接触测量，动态响应特性好，灵 敏度和精度极高（可达nm级），适应于 较小位移（1nm～1 m）的精度测量。 但传感器存在原理上的非线性误差，线 路杂散电容（如电缆电容、分布电容等） 的影响显著，为改善这些问题而需配合 使用的电子电路比较复杂
2020/5/8
3
3.1.1 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、 介质等保持不变，被测量的变化使其有 效作用面积发生改变。
变面积式电容传感器的两个极板中，一 个是固定不动的，称为定极板，另一个 是可移动的，称为动极板。
2020/5/8
4
面积变化型电容传感器原理
2020/5/8
5
（a）为平板形位移电容传感器。
设两个相同极板的长为b，宽为a，极板 间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx
也随之改变。
Cx
(a
- x)b d
ab
d
-
xb
d
C0
-
C
电容的相对变化量和灵敏度为
C x C0 a
K C b
x d
2020/5/8
6
差动结构形式
提高测量精度 ，减少动极板与定极板之 间的相对极距可能变化而引起的测量误 差。
转换电路的组成部分
1．交流电桥 2．调频电路 3．运算放大式电路 4．脉冲宽度调制电路 5．二极管双T型交流电桥
2020/5/8
20
1．交流电桥
将电容传感器的两个电容作为交流电桥 的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转 换成电桥输出电压的变化。电桥通常采 用由电阻-电容、电感-电容组成的交流 电桥，图3-6为电感-电容电桥。
2020/5/8
25
特点
运算式电路的原理较为简单，灵敏度和 精度最高。但一般需用“驱动电缆”技 术来消除电缆电容的影响，电路较为复 杂且调整困难。
2020/5/8
26
4．脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感 器的电容充放电使电路输出脉冲的占空 比随电容式传感器的电容量变化而变化， 然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
2020/5/8
2
3.1电容式传感器工作原理及类型
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
C A
d 保持其中两个参数不变，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。 电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面 积式和变介质式3种类型。
中间极板移动变面积式电容传感器原理
2020/5/8
7
（b）为圆柱线位移电容传感器
灵敏度K也为一常数。
2020/5/8
8
（c）为角位移形式的电容传感器。
当动极板有一角位移时，两极板的相对
面积A也发生改变，导致两极板间的电容
量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0 (1 d
)
C0 (1
引言
电容式传感器是将被测非电量的变化转 化为电容变化量的一种传感器。
结构简单、分辨力高、可非接触测量， 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条 件下工作 。
很有发展前途的传感器 。
2020/5/8
1
目录
3.1电容式传感器工作原理及类型 3.2电容式传感器的转换电路 3.3电容式传感器的应用
电容值 Cx
动极板2未动时传感器初始电容 C0
（
C0
A）。
d0
当动极板2移动x值后，
Cx
A
d0 x
C0 1 x
x
C0 (1
d0
) x
d0
2020/5/8
12
结论分析
当 x d0 时
Cx
C0 (1
x d0
)
电容与x 近似线性关系，但量程缩小很
多，变极距式电容传感器的灵敏度为
K dC C0 A
dx d0 d02
2020/5/8
13
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距 的平方成正比，极距越小灵敏度越高。 但 d 0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。
原理上的非线性 ，要修正。
差动工作方式，电容传感器的灵敏度提 高了一倍，非线性得到了很大的改善，
2020/5/8
21
分析
变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电 容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的
4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥 供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、 相敏检波、滤波后，获得与被测量变化 相对应的输出，最后为仪表显示记录。
2020/5/8
22
2．调频电路
把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络 中，被测量的变化引起传感器电容的变 化，继而导致振荡器谐振频率的变化。 频率的变化经过鉴频器转换成电压的变 化，经过放大器放大后输出。
)
2020/5/8
9
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，
灵敏度K是一常数。
2020/5/8
10
3.1.2 变极距式电容传感器
两极板的有效作用面积及极板间的介质
保持不变，则电容量C随极距d按非线性
关系变化，
2020/5/8
11
结论
传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与 液面h成线性关系，只要测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
2020/5/8
18
3.2电容式传感器的转换电路
电容传感器将被测量的变化转换成电容 的变化后，还需由后接的转换电路将电 容的变化进一步转换成电压、电流或频 率的变化。
2020/5/8
19
2020/5/8
23
2．调频电路的特点
测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的 位移变化量，抗干扰能力强（加入混频 器后更强），缺点是电缆电容、温度变
化的影响很大，输出电压U0与被测量之
间的非线性一般要靠电路加以校正，因 此电路比较复杂。
2020/5/8
24
3．运算放大式电路
极距变化型电容传感器的电容与极距之 间的关系为反比关系，传感器存在原理 上的非线性。利用运算放大器的反相比 例运算可以使转换电路的输出电压与极 距之间关系变为线性关系，从而使整个 测试装置的非线性误差得到很大的减小。
2020/5/8
15
3.1.3 变介电常数式电容传感器
介质变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被测量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。
主要用来测量两极板之间的介质的某些 参数的变化，如介质厚度、介质湿度、 液位等。
2020/5/8
16
介质变化型电容传感器结构
2020/5/8
17