第3章电容式传感器
第3章电容式传感器
由图3Z C 7 可( 得R 到S 等1 效 阻R 2 抗R PZ2 C C，2) 即j(1 R 2 P R 2 C 2 C 2L )
P
P
式中2f为激励电源角频率
由于传感器并联电阻RP很大，上式经简化后得等效电容为
等效电容
CE1 C 2LC 1(C f/f)2
式中 f
1
0
为电路谐振. 频率
例如在图3-10(b)中a=1,=0。根据图3-9曲线知:k=0.25, =0， 因此输出电压USC=0.25E；图(c)中当
R 1 时,a1,900 根据图3-9曲线得到k=0.5, =0 jC
USC=0.5E；图3-10(c)和(d)线路形式相同，但是由于(d)图
中采用了差动式电容传感器，故输出电压USC=E ，比图 （c)的输出电压提高了一倍。
对于变极距型， 其静态灵敏度
KCC 0( 1 ) d d 1d/d
因△d/d <<1，上式可按 台劳级数展开而得
KC0[1d(d)2 ] d dd
KC0[1d(d)2 ] d dd
由上式可知，灵敏度与起始极间距d有关，而且不是常数， 是随被测量变化而改变。要提高灵敏度，应减小d,但δ过 小容易引起电容器击穿(空气的击穿电压3kV/mm)。
注意:１．上述各种电桥输出电压是在假设负载阻抗无限 大(即输出端开路)时得到的，
实际上由于负载阻抗的存在而使输出电压偏小。
２.电桥输出为交流信号，不能判断输入传感器信号的极 性，只有将电桥输出信号经交流放大后，再用相敏检波电 路和低通滤波器，才能得到反映输入信号极性的输出信号。
(四)运算法测量电路 它由传感器电容CX和固定电容 C。、以及运算放大器A组成。
④采用“驱动电缆”技 术(也称“双层屏蔽等位 传输”技术)。 见教材P60
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理
首先，我们来了解一下电容的基本概念。
电容是指导体之间存储电荷的能力，
通常用C来表示，单位是法拉（F）。
电容的大小与导体间的距离和导体形状有关，可以用以下公式表示：
C = ε0 εr A / d。
其中，C为电容，ε0为真空中的介电常数（8.85×10^-12 F/m），εr为介质
的相对介电常数，A为导体间的有效面积，d为导体间的距离。
由此可见，电容与
导体间的距离和介质的介电常数密切相关。
在电容式传感器中，通常会有两个导体或电极，它们之间会形成一个电容。
当
目标物体靠近或远离电容式传感器时，导体间的距离会发生变化，从而导致电容的大小发生变化。
这种变化可以通过电路进行检测和测量，进而得到目标物体的信息。
电容式传感器可以应用于各种领域，如工业自动化、汽车制造、医疗设备等。
以工业自动化为例，电容式传感器可以用于检测物体的位置和形状，从而实现自动化生产线的控制和监测。
在汽车制造中，电容式传感器可以用于检测车辆的液位、压力等信息，保障车辆的安全和稳定运行。
在医疗设备中，电容式传感器可以用于监测患者的呼吸、心跳等生理参数，为医生提供诊断和治疗的依据。
总之，电容式传感器利用电容的变化来检测目标物体的信息，其工作原理基于
电容与距离、介质的关系。
通过合理设计电路和信号处理方法，可以实现对目标物体的准确检测和测量。
电容式传感器在工业、汽车、医疗等领域有着广泛的应用前景，将为各行业带来更高效、更安全、更便捷的解决方案。
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 %
第三章 电容式传感器
C d 2 C0 d0 非线性误差为： d 3 2 d0 d r 100% 100% d d0 d0
减小
C C0 A 2 2 2 灵敏度： S d d0 d0
提高一倍
18
差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减 小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所 造成的误差。
弹性体
绝缘材料 定极板
极板支架
动极板
36
在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行 的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每
个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电
路上各电容是并联的， 因而输出反映的结果 是平均作用力的变化， 测量误差大大减小 F
（误差平均效应）
电容式称重传感器
T1 T2 UA U 1 ，U B U1 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —C1和C2充电至Ur的所需时间； U1—触发器输出的高电位。
29
C1、C2的充电时间T1、T2为：
U1 T1 R1C1 ln U1 U r U1 T2 R2C2 ln U1 U r
0 A
dg
g
d0
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于 1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。 有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输 出特性的线性度得到改善。
12
13
14பைடு நூலகம்
差动电容式传感器
定极板 动极板 C1 d1 C2 d2 定极板
15
初始位置时，
3
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。
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，
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。
电容传感器(传感器原理与应用)
第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。
由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。
这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。
而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。
多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。
A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r 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另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
因此。
电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。
在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。
若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。
传感器原理及应用第三版第3章
电桥初始平衡条件为： 则输出:
•上一页
•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
•上一页
•下一页
•返 回
3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
•上一页
•下一页
•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
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—空气的介电常数ε0=1； d0——空气隙厚度； dg——云母片的厚度。
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于 1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起
始距离可大大减小。同时，式（5-5）中的dg/ε0εg项是恒定值，
这种传感器的灵敏度为：
KCC0 d d0
0rs
d02
此式表明：灵敏度K是极板间隙d0 的函数，d0越小，灵敏度越高。但非 线性误差将增大，且容易引起电容器 击穿或短路。为此常采用差动式结构， 极板间可采用高介电常数材料。
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
非线性误差为：
d d0
2
d d0
此式表明：灵敏
s—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离； εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数， ε0 ＝8.85pF/m； ε—电容第极3章板电间容式介传质感的器介电数。
一、工作原理与类型
（二）类 型
三种基本类型：变极距(变间隙)(δ)型；变面积型(S)型；变
介电常(εr)型
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
量C0为：
C0
0 r S
d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则
CC0
C 0rS
d0d
1C0d d0
C01dd02 1dd0
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
在上式中，若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则式
C
C0
C0
d d0
此时ΔC与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只 有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。
度K是极板间隙d0的函
数，d0越小，灵敏度
越高。但非线性误差
％
d d0
100
将增大，且容易引起 电容器击穿或短路。 为此常采用差动式结
构，极板间可采用高
介电常数材料。
C C 0 dd 01 dd 0 dd 02 dd 03••• 第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
C S dg d0 0 g 0
A 20h K 2( 0)
ln(r2 / r1)
ln(r2 / r1)
可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性第关3章系电。容式传感器
一、工作原理与类型
3、变介电常数型电容传感器
变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根 据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿 度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量 与被厚度的关系为：
δx
厚度传感器
C
ab
(x)/0x/
C1
δx、ε、ε0——被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
2r2
▲ 若忽略边 缘效应，圆筒式 液位传感器如下 图，传感器的电
2r1
hx
h
C1 C2
C
容量与被液位的
关系为
液位传感器
Cl2 n r20 /(h r1)2l(n r 2/(r 0 1 ))h xA Kxh
1、变极距型电容传感器
C 1
d
2 变极距型电容传感器
C0
d C-d 特性曲线
图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随 被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生
变化 ，其电容变化量ΔC为
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容
第）工作原理
用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其 电容C为：
δ
S
CS r0 S
ε
δ、S和εr中的某一项或几项有 变化时，就改变了电容C0、δ或S的变 化可以反映线位移或角位移的变化， 也可以间接反映压力、加速度等的变 化；εr的变化则可反映液面高度、材 料厚度等的变化。
第3章 电容式传感器
1、电容式传感器的工作原理与类型 2、电容式传感器的测量电路 3、主要性能、优缺点和设计要点 5、电容式传感器的应用
第3章电容式传感器
电容式传感器介绍
电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容) 之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现 非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实 质上是一个具有可变参数的电容器。
板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。
当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为
CCC00r(adx)b
变面积型电容传感器原理图
式中C0=ε0εr ba/d 为初始电容。电 容相对变化量为
C x
C0
a
很明显，这种形式的传感器其电容量C
与水平位移Δx呈线性关第3系章。电容式传感器
C2
C
C3
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容
量与被位移的关系为
lx
l
平 板 形
C1 C2
C4
C
C3
C ( x)b /x 0 l x/b ( a / l0 x)
a、b、lx——固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ； δ——两固定极板间的距离；
它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 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。
第3章电容式传感器
一、工作原理与类型
2、变面积型电容传感器
下图是变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通过动极
一、工作原理与类型
下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位
移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了
两极板间的电容量。当θ=0时，则
C0
0 r S0
d0
εr——介质相对介电常数； d0——两极板间距离； S0——两极板间初始覆盖面积。
C0rS01
d0
C0
C0
可以看出，传感器的电容量C与第角3章位电移容θ式呈传线感器性关系。
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。