5第五章电容式传感器1精品PPT课件
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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PPT精品文档70页
0R2 2dr2
0
d为极间距离，动极板转动Δα后
则：
c1
c01
0
c2
c0
1
0
c2 c1 c1 c2 0
07.01.2020
18
l
A
r α0 R
C B
O
柱面板变面积型
07.01.2020
19
同理：
初始时：
lr C A0C C B0 CC 0 Rr 0
第五章： 电容式传感器
电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的 一种传感器。结构简单、高分辨力、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，这 是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发 展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感 器。
电容传感器
07.01.2020
1
1 基本原理与结构类型
c d1
1d2
S
2dn
n
d1 d2 d
d1,d2,….分别是各层的厚度 1, 2, ….是各层的介电常数
07.01.2020
4
二、结构类型
按改变的参数： 变极距、变面积、变介质 按被测位移量： 线位移、角位移 按组成的方式： 单一式、差动式 按极板的形状：平行平面型、平行曲面型
9
移动后两极板的电容分别为：
c1d0Sd1 S dd0 d0c0 1 dd 0
c2d0Sd1 S dd0 d0c0 1 dd 0
07.01.2020
10
当
d d
1
时
c1c0 1 dd 0 dd 0 2 dd 0 3
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1完整ppt课件
图4.16 差动脉冲宽度调制电路
.
11
（a）C1 = C2
（b）C1 > C2 图4.17 电路各点的充放电波形
当电阻R1 = R2 = R 时，则有
Uo
C1 C1
C2 C2
UH
由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。
.
12
4.2.3 调频电路
1．载波频率改变的调幅调频式
S
d02
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度
分别为 C 2 d
C0
d0
KC2C0 2S
d d0 d02
与基本结构间隙式传感器相比，
差动式传感器的非线性误差减少了一个 图4.7 差动结构的变间隙电容传感器 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以
在实际应用中被较多采用。 .
3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
（2）屏蔽。
.
14
4.4 电容式传感器的应用
1．电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位
移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其 电容量也相应产生变化。
图4.20 变面积式位移传感器结构图
电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液 位、厚度。
.
2
4.1 电容式传感器工作原理
C=ε.S/d=ε0. εr.S/d ε=ε0. εr
C为电容 ε0=8.85×10-12F/m 对介电常数
εr为相
用S为极板相对覆盖面积m2 d为极板间距
电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电
常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移式 、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常数 式、圆筒介电常数式。
电容式传感器资料课件
软件校准
通过修改传感器的软件算 法，如补偿算法、滤波算 法等，来提高传感器的测 量精度。
综合校准
结合硬件和软件两种方式 ，对传感器进行全面校准 。
电容式传感器的标定实验及数据处理
实验设计
根据传感器的工作原理和实际应用场景，设 计标定实验方案。
数据采集
在实验过程中，采集传感器在不同条件下的 输出数据。
电容式传感器在温度测量中的应用
总结词
高精度、快速响应、稳定性好
详细描述
电容式传感器可将温度变化转化为电容量的变化，从而实现 对温度的精确测量。具有高精度、快速响应、稳定性好等优 点，适用于各种需要温度测量的场合，如环境监测、医疗设 备、工业生产等。
05
电容式传感器的校准与标 定
电容式传感器的误差来源及影响分析
展望电容式传感器的未来发展方向
高性能化 随着科技的不断进步，电容式传 感器的性能将不断提高，测量精 度和灵敏度将得到进一步提升。
微型化 随着微纳制造技术的发展，未来 的电容式传感器将更加微型化， 能够应用于更小的空间和更复杂 的场景。
智能化 未来的电容式传感器将更加智能 化，具备自校准、自补偿、自诊 断等功能，能够更好地适应复杂 环境下的测量需求。
电容式传感器所面临的挑战与对策
温度影响
电容式传感器的电容值会随温度变化而变化，给测量带来误差。为了减小温度影响，需要 采用温度补偿技术、选用具有良好温度特性的材料以及优化传感器结构设计等措施。
交叉灵敏
交叉灵敏是指电容式传感器对不同方向的干扰敏感，导致测量误差。为了减小交叉灵敏影 响，需要优化传感器结构设计、选用具有良好方向特性的材料以及采用信号处理技术等措 施。
电极材料
根据应用场景和敏感材料 选择电极材料，如金、银 、不锈钢等。
电容式传感器资料课件
工作原理
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
电容式传感器PPT课件
20
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种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物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种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物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
传感器与检测技术第5章电容式传感器ppt课件
(dg/ε0εg)项是恒定值, 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。
二、 变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图。
一、 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。调频测量电路原理框图如下图 5 - 9 所示。
C2
C1
调频振荡器的振荡频率为
f 1
2 LC
式中：L——振荡回路的电感： C——振荡回路的总电容；
其中，C=C1+C2+Cx。
该电路输出电压较高, 当电源频率为1.3MHz, 电源电压E= 46V时, 电 容从-7～+7pF变化, 可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。 电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当E幅值 较高, 使二极管VD1、VD2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容C1、C2无关, 而仅与R1、R2及RL有关, 其值为1～ 100kΩ。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电 阻上升时间为 20 μs左右, 故可用来测量高速的机械运动。
式（5 - 31）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈
线性关系。
三、 二极管双T型交流电桥
图 5 - 11 所示是二极管双T型交流电桥电路原理图。
其中 e是高频电源, 它提供幅值为E的对称方波, 且R1=R2= R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
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。
二、 变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图。
一、 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。调频测量电路原理框图如下图 5 - 9 所示。
C2
C1
调频振荡器的振荡频率为
f 1
2 LC
式中：L——振荡回路的电感： C——振荡回路的总电容；
其中，C=C1+C2+Cx。
该电路输出电压较高, 当电源频率为1.3MHz, 电源电压E= 46V时, 电 容从-7～+7pF变化, 可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。 电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当E幅值 较高, 使二极管VD1、VD2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容C1、C2无关, 而仅与R1、R2及RL有关, 其值为1～ 100kΩ。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电 阻上升时间为 20 μs左右, 故可用来测量高速的机械运动。
式（5 - 31）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈
线性关系。
三、 二极管双T型交流电桥
图 5 - 11 所示是二极管双T型交流电桥电路原理图。
其中 e是高频电源, 它提供幅值为E的对称方波, 且R1=R2= R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
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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
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d） 讨论：
传感器原理及工程应用
（1）在 d d0 条件下我们忽略高次项。变极间距 所产生的电容的变化量△C与极板间距的变化量
△d之间近似线性关系。即：
传感器原理及工程应用
第5章 电容式传感器
第5章 电容式传感器
主要内容：
传感器原理及工程应用
5.1 电容传感器工作原理和结构 5.2 电容传感器输出的灵敏度和非线性 5.3 电容传感器的等效电路 5.4 电容式传感器的测量电路 5.5 电容式传感器的应用
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
本章重点：
第5章 概述
电容式传感器
传感器原理及工程应用
各种电容式传感器 电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
差压传感器
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.1 电容传感器工作原理和类型
❖ 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，
电容器 C 可以通过改变 A — 面积，称变面积型传感器
d——距离介，质称，变称极变距介型质传型感传器感器
C d
C0
d0
C
C0
d d0
C
C0
C
C0
C0
d d0
第5章 电容式传感器 5.2 电容传感器输dd0 出1特性
1 变极距型（d）
传感器原理及工程应用
（2）非线性误差。由于电容量△C与△d不是线性关系，
只有当忽略高次项后才能得到近似线性关系。也就存在 一个相对非线性误差δ。
2
d
d0 100% d 100%
C A
d
A
d ε
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.1 电容传感器工作原理和类型
变极距型传感器：
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.1 电容传感器工作原理和类型
变面积型传感器：
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.1 电容传感器工作原理和类型
变介质型传感器:
第5章 电容式传感器
掌握不同类型电容式传感器的构造原理、 特性及用途。
学会分析差动式电容传感器的灵敏度、非 线性误差。
掌握电容式传感器测量电路。
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
概述
➢电容式传感器的特点是： • 小功率、高阻抗;本身发热影响小; • 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗; • 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； • 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； • 可进行非接触测量。 ➢ 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压 差、液面、成份含量等方面的测量。
（3）灵敏度：平板型改变极间距的电容式传感器
的灵敏度为:电容的相对变化量和极板间距离的
变化量之比。
C
(K
C0 1 )
d
d0
2
d
d0 100% d 100%
d
d0
d0
虽然 d0 越小灵敏度K越高，但灵敏度越高非线性 误差就会增加。这就存在矛盾。另外当d0 过小时 容易引起电容器的击穿。
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
C A 0r A
dd
当 d减小 时d
电容 C 增加 C
初始电容
C0
A
d0
d d0 d
C C0 C
C
d
ΔC
C0
Δd
ε
d
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）
电容为：
传感器原理及工程应用
C
C0
C
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）
（4）改善击穿条件的办法就是在极板
间放置云母片。此时电容器相当于介 质为空气的电容器 C0和介质为云母片 的电容器Cg相串联。这个电容器的总 电容为：
g 云母相对介电系数 0 空气介电系数
dg 云母片的厚度 d0 空气隙厚度
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
结论： • 要提高传感器灵敏度 K 应减小初始极距 d，0
但初始极距受电容击穿电压限制； • 非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性
度应限制相对位移；变极距型电容传感器适合测 小位移； • 起始极距使误差与灵敏度之间相矛盾， 为提高 灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal