第四章电容式传感器
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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
课题第四章电容式传感器第一节电容式传感器的基本概念及主要特点第二节电容式传感器的工作原理及结构形式课型新课授课班级授课时数 2教学目标1．理解电容式传感器的基本概念和特点。
2．掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。
教学重点1．电容式传感器的基本概念。
2．电容式传感器的工作原理及3种结构形式。
教学难点三种类型电容式传感器的电容变化量计算。
学情分析教学效果新授课教后记A 、复习电阻式传感器。
B 、新授课第一节 电容式传感器的基本概念及主要特点一、基本概念电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。
二、主要特点① 结构简单，易于制造。
② 功率小、阻抗高、输出信号强。
③ 动态特性良好。
④ 受本身发热影响小。
⑤ 可获得比较大的相对变化量。
⑥ 能在比较恶劣的环境中工作。
⑦ 可进行非接触式测量。
⑧ 电容式传感器的不足之处。
主要是寄生电容影响比较大；输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。
（提问）（与电阻是对比介绍）（简要分析原因）第二节电容式传感器的工作原理及结构形式一、工作原理电容式传感器的工作原理可以从图4 - 1所示的平板式电容器中得到说明。
由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为δAεC =式中，A ——两极板相互遮盖的面积（mm 2） δ——两极板之间的距离 （mm ） ε——两极板间介质的介电常数（F / m ）由以上计算公式可见，当被测量使A ，δ，ε三个参数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。
二、结构形式1．变面积（A ）型电容式传感器变面积型电容传感器的结构原理如图4 - 2所示。
图中（a ）、（b ）为单边式，（c ）为差分式；（a ）、（b ）也可做成差分式。
图中1，3为固定板，2是与被测物相连的可动板，当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C 发生变化。
《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
传感器原理及应用第四章 电容式传感器
11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
13
电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 接近开关的检测物体，并不限于金属导 体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
电容型传感器与测量电路
4.2.2 电桥电路 电容式传感器常连接成差动结构，接人交流电桥的两个相
邻桥臂，另外两个桥臂可以是固定电阻、电容或电感，也可以 是变压器的两个次级线圈，如图4-9所示。
图4-9 电桥电路
从电桥灵敏度考虑，图4-9(a)～(c)形式的灵敏度高，图 4-9(d)～(f)形式的灵敏度相对较低。在设计和选择电桥形式 时，除了考虑电桥灵敏度外，还应考虑电桥输出电压是否 稳定(即受外界干扰影响大小)，输出电压与电源电压之间的 相移大小，电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易
4.2.3 调频电路 调频电路是将电容传感器与电容、电感元件构成振荡器的
变面积式电容传感器的灵敏度S均为常数，即输出与输 入为线性关系。但与变极距式相比，灵敏度较低，广泛用 于较大的直线位移和角位移的测量。
4.1.5 变介电常数式
变介电常数式电容传感器常用来测量介质的厚度、位置
和液位等，如图4-7所示。图4-7(a)是用来测量纸张、绝缘薄
膜等厚度的电容式传感器原理图，两平行极板固定不动，当
图4-3为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数， 初始极距为δ0，由式(4-2)可知其初始电容量C0为
C0
0 r A 0
当动极板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ时，电
容量增大ΔC，则有
1
C0
C
0 r A 0
C0
1
(
0
)2
0
当Δδ<<δ0时， 1 ( )2 ，1 则
0Байду номын сангаас
C
容式传感器比较理想的信号调理电路，如图4-8所示。图中 Cx是变极距式电容传感器，C是固定电容，u是交流电源电压， uo是输出信号电压。由运算放大器的理想条件“虚短”和 “虚断”可得
第4章电容式传感器(吴建平)
0
(
0
) 2 ]
C2 C0 [1
0
(
0
) 2 ]
电容的总的变化量
C C1 C2 2C0 [
0
(
0
)3 ]
第 4章
电容式传感器
传感器原理及应用
4.2 电容传感器输出特性 电容相对变化量
C 2 [1 ( ) 2 ( ) 4 ] C0 0 0 0
4.3 测量电路 3.二极管双T型电路 UE 高频对称方波电源，D1、D2 二极管，特性相同； C1、C2传感器差动电容；R1、R2 为固定电阻，RL负载。 一个周期内RL 上的平值电压为
U RL
R( R 2 RL ) RLU E f (c1 c2 ) MU E f (c1 c2 ) 2 ( R RL )
电容式传感器
传感器原理及应用
4.2 电容传感器输出特性 2.变面积型（S）
平板电容：当动极板移动Δ X 后，两极板间电容量为
初始电容 C0 ab
C x 电容的相对变化量 C0 a
b(a x) b x C C0 x C0 C0 a
C b k0 x
☻ 一个周期内负载 RL 上输出电
压URL与电源电压UE幅值、频率 f 有关; 与电容的差值 (C1-C2) 成正比。
第 4章
电容式传感器
传感器原理及应用
4.3 测量电路 3.二极管双T型电路 工作原理分析 • t > 0电路接通, C1充电至UC1= E ； • t = t1 UE负半周, D1截止，D2导通 C2充电至UC2 =-E,同时C1通过RL放电； 负载上电流 ：IL’= I1’（放）+ I2’（电源） • t = t2 ，UE正半周, D1导通, D2截止 C1充电, C2放电; 负载上电流 ： IL = I1（电源）+I2（放） • C1 = C2时 IL = IL’一个周期内平均值
《测试技术》第四章传感器的基本类型及其工作原理解读
三、电位计式传感器
令 R / RL m， Rx / R x
(x 0时, Rx 0; x 1时,
UL
U
1
x mx(1
x)
Rx R)得
U L 与 x 呈非线性关系
电位计式传感器原理图
U Rx
x
R
a
RL UL
非线性相对误差 为：
b
(UL )m0 (UL )m0 100% [1 (UL )m0 ]100%
第一节. 概 述 传感器的组成
敏感元件
被测量
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电量
敏感元件，是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关 系的 某一物理量的元件。
转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。
基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器
C 2 h11 2 (h h1)2
ln R
ln R
r
r
2 h2 2 h1(1 2)
ln R
ln R
r
r
容器内介质的介电常数 1
容器上面气体介质介电常数 2
输出电容C与液面高度成线性关系
第四节. 电容式传感器
三、变介电常数型电容传感器 — 应用
积变化 △AA ，电阻率的变化为 △ρ ，相应的电阻变化为 dRdR。对
式 R l 全微分得电阻变化率 dR//RR 为：
s
dR dl 2 dr d Rl r
上式中：dl l 为导体的轴向应变量 l ；dr / r 为导体的横向应变量 r
由材料力学得：l r
式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右
第四章-电容式传感器
第四章 电容式传感器
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换 成电容变化量的一种传感器。实际上，它本身（或和被测物） 就是一个可变电容器。
电容式传感器具有结构简单，动态响应快、易实现非接触 测量等优点。也存在易受干扰、分布电容等影响。
它广泛应用于压力、位移、加速度、液位及成分含量等的 测量。
6、 脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路如图所示。 图中C1、C2为差动式电 容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处 于某一状态, Q=1, Q =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常 数为τ1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位Ur, 比较器A1输出
正跳变信号。与此同时, 因 Q= 0, 电容器C2上已充电流通过
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采 用差动式结构。下图是变极距型差动平板电容传感器结构示意图。
在差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变
为d0－Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则
0
d1
C1
0
d2
C2
S
差动平板式电容传感器结构图
c1
c0 1
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
真空
4.2 结构类型
改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数 ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板 间的距离,而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成 了电容式传感器。
因此电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数 型三种。
下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只 二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换 成电容变化量的一种传感器。实际上，它本身（或和被测物） 就是一个可变电容器。
电容式传感器具有结构简单，动态响应快、易实现非接触 测量等优点。也存在易受干扰、分布电容等影响。
它广泛应用于压力、位移、加速度、液位及成分含量等的 测量。
6、 脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路如图所示。 图中C1、C2为差动式电 容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处 于某一状态, Q=1, Q =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常 数为τ1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位Ur, 比较器A1输出
正跳变信号。与此同时, 因 Q= 0, 电容器C2上已充电流通过
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采 用差动式结构。下图是变极距型差动平板电容传感器结构示意图。
在差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变
为d0－Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则
0
d1
C1
0
d2
C2
S
差动平板式电容传感器结构图
c1
c0 1
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
真空
4.2 结构类型
改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数 ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板 间的距离,而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成 了电容式传感器。
因此电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数 型三种。
下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只 二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。
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2021/2/23
(d)
U 0R ((R R R 2 L R )2 L)R LEf(C 1C 2)
第四章电容式传感器
4.2电容式传感器的测量电路
3.运算放大器式测量电路
运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输入阻抗也很大。理想的运算放 大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可 作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线 性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，C为总的输入电容，Cx 是电容传感器。
d0
第四章电容式传感器
4.1.3 变介质式电容传感器
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。
2021/2/23
第四章电容式传感器
14
介质变化型电容传感器结构
1.位移型
1. 直线位移型
C C 0 C 0r( a x ) b /d
2021/2/23
第四章电容式传感器
5
面积变化型电容传感器原理
2. 角位移型
2021/2/23
第四章电容式传感器
6
A r2
2
动极板
r
定极板
图6.6 角位移测量的变面积型电容式传感器原理图
A A0 (1 )
图6.7 计算扇形面积的方法
传感器主要用于微位移测量。
第四章电容式传感器
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。
2021/2/23
第四章电容式传感器
12
差动的好处
灵敏度得到一倍的改善
C d 2
C0
d0
C d 1
C0
d0
线性度得到改善
2
d d0
100%
d 100%
第4章 电容式传感器
2021/2/23
第四章电容式传感器
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 。
2021/2/23
第四章电容式传感器
2
4.1电容式传感器工作原理
第四章电容式传感器
3
4.1 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。
2021/2/23
第四章电容式传感器
4
面积变化型电容传感器原理
2021/2/23
第四章电容式传感器
15
介质变化型电容传感器结构
2.液位型
2021/2/23
第四章电容式传感器
16
变介质型电容式传感器
C
＝
0
2 0H ln D
d
C C 1 C 2 ＝ 20 ( H D h ) 20 D 1 h ＝ 2D 0 H 20 h ( D 1 1 ) C 0 2 h (D 1 1 )
C1－C2 C1＋C2
U 2
第四章电容式传感器
4.2电容式传感器的测量电路
1.电桥电路--电桥测量电路框图
2021/2/23
第四章电容式传感器
22
4.2电容式传感器的测量电路
2.二极管双T形交流电桥
二极管双T形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，C1 、C2为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，VD1、 VD2为理想二极管，R1、R2为固定电阻；e为高频电源， 它提供幅值为Ue的对称方波。
2021/2/23
第四章电容式传感器
9
简化：
CC0(1 dd0)＝ C0＋ Cd 0 0d
C
C C0d
C
d0
C 1C 1
近似直线关系
C 2C 2
0O d1d1 d2d2
d
第四章电容式传感器
击穿问题
g 0
d0 dg
C CgC0
A
Cg C0 dg d0
0g 0
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
D d
l n l n l n l n
d
dd
d
l n d
H
h 1
CCC0
2h(1 1)
D
ln
d
电容增量与被测液位的高度成线性关系
第四章电容式传感器
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。
2021/2/23Hale Waihona Puke 第四章电容式传感器18
。 4.2 电容式传感器的测量电路
CCC0 C0
C0rA01 d0C0(1)C0C0
电容改变量与角位移呈线性关系
第四章电容式传感器
面积变化型电容传感器原理
3. 圆筒型
C2l(n l R x)2l(l1 n R xl)C 01 xl
r
r
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第四章电容式传感器
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4.1.2 变极距式电容传感器
当改变电容器两极板间的距离时，电 容器的电容也会发生变化。
1.电桥电路
为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式， 其电路如图所示。Cx1和Cx2表示差动式电容传感器 的两个电容。
2021/2/23
第四章电容式传感器
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变压器式交流电桥
＋
U
2
C1
U
－
＋
＋
U
－2
C2 U o －
U0＝ZZ 1＋ 2U Z2－ U 2＝Z Z12＋ － Z Z21U 2
U
＝
0
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
CS r0S
dd
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。
2021/2/23
2021/2/23
第四章电容式传感器
23
二极管双T型交流电桥
当传感器没有输入时
D2
B
R2
e
， C1＝C2
D1
A
R1
E
o
t1
t2
t
e
RL
C1
C2
E
一个周期内流过负 载的平均电流为0
T
当传感器有输入时，
(a)
(b)
C1！＝C2
R1
R2
R1
R2
E
C1
I1
RL
I2 C2
C1
I1
RL I2
C2
E
(c)
常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。
1.电桥电路
当电容传感器处于初始位
置时，电桥平衡，电桥输出电
压
•
；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生
变化时，电桥失去平衡，电桥
有电压输出，即
•
U0
0
。
2021/2/23
第四章电容式传感器
19
4.2电容式传感器的测量电路