第五章电容式传感器
电容传感器专题知识讲座
2024/10/1
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一、电容板材在线测厚仪
测量过程：
电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中旳厚度变化。 带材是电容旳动极板，总电容Cx=C1+C2作为桥臂。 利C1、C2两个极板当带材上下波动时Cx=C1+C2总旳电容量 不变；而带材旳厚度变化使电容Cx变化。
Cx=C1+C2
蓝色为传动、辊绿色为轧辊、黄色为带材、红色为测
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量极板
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二、硅微加工加速度传感器
图示加速度传感器以微细 加工技术为基础，既能测量交 变加速度（振动），也可测量 惯性力或重力加速度。其工作 电压为2.7～5.25V，加速度测 量范围为数个g，可输出与加 速度成正比旳电压也可输出占 空比正比于加速度旳PWM 脉 冲。
K
C X
b
结论：
增大极板长度，减小极板距离都可提升敏捷度
变面积式电容传感器敏捷度K为常数；
输出特征为线性；
2024/10/1 适合大位移测量。
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变面积式电容传感器旳特征
同心圆筒变面积式：
2R
2r
x
电容变化及敏捷度为
Cx
2 (h
ln(R r )
x)
C
(1
x h
)
3
h0
K dCx 2
dx ln(R r )
C
x x
C
ε
敏捷度为：
K
dCx dx
(
S
x) 2
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电容式传感器
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
第5章 硅电容式微传感器
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。
传感器习题第5章-电容式传感器
随意编辑第5章 电容式传感器（P99）5－3 图5—7为电容式液位计测量原理图。
请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U图5-7 电容式液位变换器结构原理图解：电容式液位计的电容值为：dDnh C C 1)(210εεπ-+=，其中d D n HC 120πε=。
可见C 与液面高度h 呈线性关系。
可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T 形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。
另外要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。
可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。
可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R 的并联，R 上的电压为0U ，则有：)(0d x C C E Rf RI U -∆==其中，C x 为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，ΔE =E 2-E 1为方波的幅值，C d为平衡电容传感器初始电容的dD n h C C 1)(210εεπ-+=环形二极管电容测量电路原理图E调零电容。
当h=0时调节dD n HC C d 120πε==，则输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。
5－5 题5—5图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=∆。
求L U 的表达式及对于上述已知参数的L U 值。
解：()()V C C Uf R R R R R R U L L L L 18.010110110202040)20240(40)()()2(1262012=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯=-⋅++=-5－8 题5—8图为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电容传感器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。
电容式传感器的工作原理及结构形式
加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测 得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
2021/4/29
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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 。
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一、电容式液位计
棒状电极（金属管）外 面包裹聚四氟乙烯套管，当 被测液体的液面上升时，引 起棒状电极与导电液体之间 的电容变大。
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液 位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出 开关量。当液位到达设定 值时，它输出低电平。但 也可以选择输出为高电平 的型号。
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电容式接近开关外形
齐平式
非齐平式
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非齐平式接近开关的安装
非齐平式安装时，传感器高于安
装支架，易损坏。
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远距离式（大量程）
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全密封防水式
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电容接近开关的规格
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电容式接近开关在液位测量控制中的使用
2而021电/4/2容9 量也随之减小。
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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。
请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！
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5
二、变极距式电容传感器
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
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。
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式传感器是一种常见的传感器类型，利用物体与电极之间的电容变化来测量物体的位置或运动。
它们通常用于测量机器人的位置、汽车的悬挂位置以及其他需要精准测量的应用中。
电容式传感器的原理是通过测量电容器的电容来测量物体位置
或运动。
电容器由两个平板电极组成，它们之间有一定的距离。
当两个电极之间有一个物体时，它会对电容器的电容产生影响。
具体来说，物体与电极之间的距离越近，电容器的电容就越大。
反之，距离越远，电容就越小。
为了测量电容值，电容式传感器通常会将电容器连接到一个电荷放大器。
这可以放大电容值的变化，并将其转换为电压或电流信号。
这些信号可以被读取并用于计算物体的位置或运动。
电容式传感器的优点是它们可以提供非常高的精度和重复性。
此外，它们可以快速响应变化，并且可以在广泛的温度范围内工作。
然而，电容式传感器也有一些限制，例如对电极之间的距离的限制以及受到电磁干扰的影响。
总之，电容式传感器是一种强大的工具，可以用于许多精密测量应用。
它们可以提供高精度的测量结果，并且可以在广泛的应用中使用，从机器人到汽车悬架。
- 1 -。
_新教材高中物理第五章传感器12认识传感器常见传感器的工作原理及应用课件新人教版选择性必修第二册
1、2 认识传感器 常见 传感器的工作原理及应用
核心素养目标
1．知道什么是传感器，并了解传感器 的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理 解将非电学量转化为电学量的物 理意义。
3．理解常见传感器敏感元件的特性及 应用。
知识点一 认识传感器 [情境导学] 干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制
成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理] 1．神奇的传感器 (1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。 (2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探” 开关。 (3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安 装了红外线传感器。 (4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上 面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并 能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或 转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地 进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类 (1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传 感器、磁传感器、声传感器等。 (2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度 等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 (3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传 感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
第五章 电容式传感器
X
22
动极（圆柱）沿轴线移动△L时，电容的变化量为:
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
（5-24）
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的电容量Ca增加， 下面部分的电容量Cb减少，使输出为差动形式，有:
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
（5-25）
结论：采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也提高一倍。
X
23
角位移变面积型
X
24
(3)角位移式电容传感器
设两半圆极板重合时，电容量为: S r 2 C d 2d
动极2转过角，电容量变为: r 2 ( ) S (1 / )
第 5章
5.1 5.2
电容式传感器
电容式传感器 5.1.1 基本工作原理 5.1.2 电容式传感器的线性及灵敏度 电容式传感器的输出电路及等效电路 5.2.1 电容式传感器的等效电路 5.2.2 电容式传感器的输出电路 影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施 5.3.1 边缘效应的影响 5.3.2 寄生电容的影响 5.3.3 温度的影响 电容式传感器的应用 5.4.1 电容式压力传感器 5.4.2 电容式加速度传感器 5.4.3 电容式荷重传感器 5.4.4 振动、位移测量仪 5.4.5 电容测厚传感器
差动电容式传感器的相对非线性误差近似为:
结论：差动式比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差减小。 结构上的对称性，能有效补偿温度变化所造成的误差。
X
12
（2）固定介质与可变间隙式电容传感器
减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两 极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。 由此，构成固定介质与可变间隙式电容传感器。
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r1 L 0 L r 2 L ； d0 C C C 0 r 2 1 L ; C0 C0 L0 C 电介质 r 2 的移动量 L C0
5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
• 变极距型
从前述讨论可知，变极板面积型电容传感器的电容量与作用量（ θ 、 L）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在Δ d/d 较小时 呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。
（2）
b x 0 r C C C ; 0
d
ba 0 r C 0 d
C x C0 a
• C~x呈线性关系
D1
3.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 rL rL C , C ( L /cm ;C /pF ) 0 0 D D ln 0 1 . 80 ln 0 D D 1 1 L ：筒长
灵敏度： K
d
0
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。 放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导
C0
A d
d 。
动极板
定极板
0 时， 板级级间的的相对面 ：积 A A 1 1 A1 A C 1 C0 1 C0 C d d
平板电容式角位移传感器
C（ΔC）与θ （角位移）成线性关系。
A-两极板的有 效覆盖面积
放置介质片的平行板电容器
0
g : 介质的相对介电常数 0 : 真空中的介电常数
d g : 介质的厚度 d 0 : 无介质空间的厚度
返回
三、变面积型电容式传感器 1.角位移传感器 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， C0 A
-
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。
2.同心圆筒形电容器
2 L 2 0 r L C R R ln n r r : 板级间介质的介电常数
忽略了边缘效应: L >> (R – r )
r
R
r : 板级间介质的相对介电 0 : 真空中的介电常数
r ：内筒外半径 R ：外筒内半径 L ：筒长
常数 ( 8 . 85 10 12 C / Nm 2 )
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。
二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）
A C C 初始电容量 ;d :初始板间距（初始极距 ） . 0 0 : 0 d 0
当极距 d0→ d1 = d0-Δd 时，则电容量C0 →C1。 C0 d
A 1 d0 A A A d d ,当 。 C 1 时， CC 1 0 2 d d d d d d 1 0 0 0 d d0 1 1 d0 d0 d 0 0 d 由于 CC ， 所以初始极距 d 小一些，则 C 相应会大一些，即灵敏 度较高。 0 0 d0 CC 1
g g
0
C0 d
g g
d 0 0
0A
d
g g
d
g
0
0A
d
0
C1
0A
d
g g
d0 d
d1 d0 d
0
d0
dg
C1
0A 1 C0 d 1 d g d g d d d 0 1 d g g g d0 g d 1 d g d0 g d C0 C 1 0 2 d g d0 g d 1 d g d0 g
第五章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构
典型应用范围：差压、(角)位移、振动、加速度、物位、成 分含量、层析
一、基本工作原理（物理学内容的复习） 1.平行板电容器 忽略了边缘效应
A A 0 rC C 电容量 d d : 板级间介质的介电常数
+
A d
r : 板级间介质的相对介电 常数 0 : 真空中的介电常数 (8.85 10 12 C/Nm 2 ) A ：板级的面积 d ：板级间的距离
d d 2 d 3 0 r A C0 C C0 C C 0 1 d d0 d 1 d0 d0 d0 d0
a
L
D0
圆柱形电容式线位移传感器
当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
2 L a a 0 r C C 1 a 成线性关系。 , 与 1 0 D L ln 0 D 1
四 变介质型电容传感器
• 并联电容：
2 h 2 h 1 Hh C 2 2 H C 1 ; C 0 0 D D D D ln ln ln ln d d d d 2 h 1 CCC ; C 被测液位高度 h 0 D ln d