电气与电子测量技术电容式传感器
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。
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。
传感器与检测技术-第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、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。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用
C1=ε0εrA0 从上式可以看出, 传感器的电容量 C 与角位移θ呈线性关系。
2.3 变介质型电容式传感器 因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电
2.电容式传感器的基本工作原理 以储存电荷为目的制成的元件称为电容器。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 0r A dd
平行板电容器
ε为电容极板间介质的介电常数, ε0 =8.83×10-12F／m,其中ε0 为真空介 电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。
近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其 是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技 术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式 智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。 2011 年，美国 Consensic 公司推出革命性新型微机电（MEMS）智能电容式压力传感器 CPS120，是全世界唯一一家数字式 MEMS 电容式压力传感器的厂商。 CPS120 智能压力传感器基于系统级封装解决方案（SIP），包含超小型电容式 MEMS 绝对压 力传感单元，同时集成智能高精度数字电路（ASIC）和温度传感器。相比其他压力传感器 厂商传统的压阻式（PRT）绝对压力传感器，电容式压力传感器可以提供更高的精度、更低 的功耗、更好的稳定性和一致性、以及工作在极端温度、湿度环境下的超强能力。 除了 CPS120 以外，已有 MEMS 电容式加速度传感器、MEMS 硅膜电容式气象压力传感器 等一系列智能传感器问世。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样, 其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全 面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。 6.总结
电容式传感器
电容式传感器简介capacitive type transducer把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。
若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。
δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。
因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。
极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
电容式传感器工作原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。
缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
第3章 电容式传感器
ε r1 ( L0 − L) + ε r 2 L
d0
当L=0时，传感器的初始电容
C0 =
ε 0 ε r1 L0 b0
d0
=
ε 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 (ε 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
∆d 3 相对非线性误差为： = ( δ ) d0
∆d 2 ∆d ( ) = ( ) × 100% d0 d0
结论：差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍， 结论 而且非线性误差可以减小一个数量级。
3.2 电容式传感器的测量电路
一、等效电路 如图，C为传感器电容，RP 为并联电阻，它包括电极间 直流电阻和气隙中介质损耗 的等效电阻。串联电感L表 示传感器各连线端间的总电 感。串联电阻RS表示引线电 阻、金属接线柱电阻及电容 极板电阻之和。
C max − C min 87.07 pF − 41.46 pF = = 0.19 pF / L K= V 235.6 L
三、变极板间距（d）型
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 。 设动片2未动时极板间距为d0，板间 介质为空气，初始电容为C0，则
d0 d1 ε0 ε1
变ε的电容传感器 ε
ε 0S ε 1S ⋅ 3 . 6π d 0 3 . 6π d 1 C 0 C1 S = C= = ε 0S d1 d 0 ε 1S C 0 + C1 3 . 6π ( + ) + 3 . 6π d 0 3 .6π d 1 ε1 ε 0
电容式传感器的位移特性实验 电容式传感器论文
智能仪器课程设计报告书课程名称：智能仪器设计题目：电容式传感器的位移特性实验学院：电气学院专业：测控技术与仪器班级：BG0XX组员：XXX XXXXXX XXX摘要仪器仪表式获取信息的工具，式认识世界的手段。
它是一个具体的系统或装置。
它最基本的作用是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。
随着科学技术的不断发展，人类社会已经步入信息时代，对仪器仪表的依赖性更强，要求也更高。
现代仪器仪表以数字化、自动化、智能化等共性技术为特征获得了快速发展。
关键词：智能仪器、微型计算机AbstractInstrument information access tool, a means of understanding the world style. It is a specific system or device. It is the most basic role is to extend, expand, complement or replace human auditory, visual, tactile and other organ functions. With the continuous development of science and technology, mankind has entered the information age, more dependent on the instrument, demanding more. Modern instrumentation to digital, automatic and intelligent features such as access to common technologies for the rapid development.Keywords:Intelligent instruments, micro-computer目录摘要 (I)ABSTRACT (III)第1章电容式传感器 (1)1.1电容式传感器工作原理 (1)1.2电容式传感器的结构类型 (2)1.3电容式传感器的优缺点 (2)第2章电容式传感器的位移特性实验 (4)2.1实验目的 (4)2.2基本原理 (4)2.3需用器件与单元 (4)2.4实验步骤 (5)2.5 A/D转换 (6)课程设计小结 (7)参考文献 (8)第1章 电容式传感器1.1 电容式传感器的工作原理两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传感器称为电容式传感器。
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C
C0
C1
2 0 (h
ln R2
x)
2 1x
ln R2
2 0h
ln R2
2x
ln R2
(1
0)
R1
R1
R1
R1
8
调理电路-电桥
电容式传感器常用交 流电桥和变压器电桥 作为测量电路。
例 图示电容式自动 平衡液位测量仪原理 框图，试求指针偏转 角θ与液位h的表达式。
电容式自动平衡液位测量仪原理框图
9
调理电路-运算放大器电路
• 运算放大器电路 测量电容的原理如图。输出电压与动极 板的位移d成线性关系，从原理上克服了单个变气隙式 电容传感器特性的非线性误差问题。
运算放大器电路
Uo
C
C0
d d0
因此，可得其灵敏度为： k C C0 d d0
变气隙式传感器的特点是灵敏度高，但非线性严重，通 常取 d 在0.1-0.2 之间。
d0
5
变面积式电容传感器
1. 角位移变面积型
当转动动片一个角度θ，遮盖 面积发生变化，电容量也随
之改变。当θ=0时，其电容
量为：
C0
电容式传感器
工作原理及其特性 调理电路 应用范围
2
工作原理
• 图示为平板电容器原理图，若忽略其边缘效应，其电容量
C为：
C 0r A A
d
d
+
A
+
+
d、A或ε发生变化时，
都会引起电容的变化。
d
改变极板面积的变面积式；
平板电容器原理
改变极板距离的变间隙式；
改变介电常数的变介电常数式。
dx d
3. 筒状线位移变面积型 见图c，当动板圆筒沿轴向移动x时
Cx
2 (l x)
ln(R / r)
2l (1
ln(R / r)
x) l
C0 (1
x) l
其灵敏度为： k C0 l
变介电常数式电容传感器
当电容极板之间的介电常数发生变 化时，电容量也随之发生变化，根 据这一原理可构成变介电常数式电 容式传感器。可用以测量物位，含 水量及成分分析等。图为变介电常 数式电容液位传感器原理图。
缺点：输出特性非线性，受分布电容影响大。
电容传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅尤 其适合测量高频振动振幅、加速度等机械量。
测量压力、差压、液位、料面、成分含量（如油、粮食、 木材的含水量）及非金属材料的涂层、油膜等的厚度。
测量电介质的温度、密度、厚度等。
12
例：电容式传声器
)2
d (
d0
)3
...]
若动极板移动使距离增加Δd ，同理可得：
d 1
C
C0 C
C0
d0
[ 1
d
]
d0
C
d C0[ d0
( d d0
)2
d (
d0
)3
...]
4
变气隙式电容传感器
由式（3-58）和式（3-60）可见，变气隙式电容传感器
的特性是非线性的。若 d / d0 1 ，忽略高次方非线性， 方可认为其特性是线性的，即：
13
电容式传感器小结
变气隙式传感器 变面积式传感器 变介电常数传感器 调理电路 交流电桥 运算放大器电路 调频电路
14
11 醉翁亭记
1．反复朗读并背诵课文，培养文言语感。
2．结合注释疏通文义，了解文本内容，掌握文本写作思路。
3．把握文章的艺术特色，理解虚词在文中的作用。
4．体会作者的思想感情，理解作者的政治理想。一、导入新课范仲淹因参与改革被贬，于庆历六年写下《岳阳楼记》，寄托自己“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想。实际上，这次改革，受到贬谪的除了范仲淹和滕子京之外，还有范仲淹改革的另一位支持者——北宋大文学家、史学家欧
阳修。他于庆历五年被贬谪到滁州，也就是今天的安徽省滁州市。也是在此期间，欧阳修在滁州留下了不逊于《岳阳楼记》的千古名篇——《醉翁亭记》。接下来就让我们一起来学习这篇课文吧！【教学提示】结合前文教学，有利于学生把握本文写作背景，进而加深学生对作品含义的理解。二、教学新
课目标导学一：认识作者，了解作品背景作者简介：欧阳修(1007—1072)，字永叔，自号醉翁，晚年又号“六一居士”。吉州永丰(今属江西)人，因吉州原属庐陵郡，因此他又以“庐陵欧阳修”自居。谥号文忠，世称欧阳文忠公。北宋政治家、文学家、史学家，与韩愈、柳宗元、王安石、苏洵、苏轼、
U i
C0 Cx
U i
C0 d
A
10
调理电路-调频电路
将电容式传感器的电容接入LC高频振荡电路，将电容 的变化转换成振荡频率受传感器电容的调制，因此称 为调频电路，其工作原理见图。
调频电路原理图
11
电容传感器的特点及其应用范围
优点：结构简单，灵敏度高，分辨率高，动态响应好，可 实现无接触测量，能在恶劣的环境下工作；
3
变气隙式电容传感器
设在被测量作用下，动极板移动使距离减少Δd，其电
容量增加，电容变化量为：
d 1
C
C
C0
C0
d0
[ 1
d
]
式中，C0 为初始电容量。 d0
C0 A / d0
在 d / d0 1 时，将上式展开成麦克劳林级数：
C
d C0[ d0
d (
d0
苏辙、曾巩合称“唐宋八大家”。后人又将其与韩愈、柳宗元和苏轼合称“千古文章四滁山，自号醉翁。既老而衰且病，将退休于颍水之上，则又更号六一居士。客有问曰：“六一何谓也？”居士曰：“吾家藏书一万卷，集录三代以来金石遗文一千卷，有琴一张，有棋一局，而常置酒一壶。”客曰：“是为五一尔，奈何？”居士曰：“以吾一翁，老于
A
d
当θ≠0时，
C
A(1
d
/)
C0 (1
/)
其灵敏度为： k dC C0
d
6
变面积式电容传感器
2. 板状线位移变面积型 见图b，当动板沿箭头所示方向移动x
时，传感器的电容量为：
Cx
b(l
d
x)
C0 (1
x) l
其灵敏度为 k dCx b
此五物之间，岂不为六一乎？”写作背景：宋仁宗庆历五年(1045年)，参知政事范仲淹等人遭谗离职，欧阳修上书替他们分辩，被贬到滁州做了两年知州。到任以后，他内心抑郁，但还能发挥“宽简而不扰”的作风，取得了某些政绩。《醉翁亭记》就是在这个时期写就的。目标导学二：朗读文章，通文