电容式传感器的测量电路和应用
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电容传感器测量电路
第二部分 正文
一、电容式传感器测量电路
由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。
参考文献：
[1]王化群,邵富群,王师.电容层析成像传感器的优化设计[J].仪器仪表学报,2000(14)：4-7
[2]强锡富.传感器.(第３版)[M].北京：机械工业出版社,2006. 110-116
[3]谢楠,陈汉量,陈卫民.电容传感器信号调理的新方法[J].自动化仪表,2005(3)：31
[4]郭振芹.非电量电测量[M].北京：计量出版社,1984. 182
3、利用闭环运算放大器的测量电路[17]
利用闭环运算放大器对微小电容测量的方法对高频信号发生器有很高的要求，而且器件的杂散电容和寄生电容也被直接放大[18]。
四、总结
目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等特点[19]。
三、发展现状
1、交流锁相放大测量电路
曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)成功研制出基于交流的电容检测电路，其特点是可抑制杂散电容、分辨率高、低漂移、高信噪比、无开关电荷注入问题[14]。但电路较复杂，成本高，频率受限[13]。
2、高压双边交流激励电容测量电路[15],[16]
美国能源部的Fasching等人将电容层析成像技术应用于流态床内部粉体动态参数的研究上时，采用了高压双边交流激励的微小电容测量电路。激励电压不但具有较高的幅值，而且频率较高。但该传感器系统还仅用于实验条件下的在线检测，使其推广到实际现场还有一定的困难。
一、电容式传感器测量电路
由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。
参考文献：
[1]王化群,邵富群,王师.电容层析成像传感器的优化设计[J].仪器仪表学报,2000(14)：4-7
[2]强锡富.传感器.(第３版)[M].北京：机械工业出版社,2006. 110-116
[3]谢楠,陈汉量,陈卫民.电容传感器信号调理的新方法[J].自动化仪表,2005(3)：31
[4]郭振芹.非电量电测量[M].北京：计量出版社,1984. 182
3、利用闭环运算放大器的测量电路[17]
利用闭环运算放大器对微小电容测量的方法对高频信号发生器有很高的要求，而且器件的杂散电容和寄生电容也被直接放大[18]。
四、总结
目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等特点[19]。
三、发展现状
1、交流锁相放大测量电路
曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)成功研制出基于交流的电容检测电路，其特点是可抑制杂散电容、分辨率高、低漂移、高信噪比、无开关电荷注入问题[14]。但电路较复杂，成本高，频率受限[13]。
2、高压双边交流激励电容测量电路[15],[16]
美国能源部的Fasching等人将电容层析成像技术应用于流态床内部粉体动态参数的研究上时，采用了高压双边交流激励的微小电容测量电路。激励电压不但具有较高的幅值，而且频率较高。但该传感器系统还仅用于实验条件下的在线检测，使其推广到实际现场还有一定的困难。
电容式传感器
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 。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
电容式接近开关
齐平式
非齐平式
电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示
• 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。 一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个 外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳 相连接。 相连接。 • 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体， 由于它的接近， 由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变 从而使电容量发生变化， 化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相 连的电路状态也随之发生变化， 连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制 开关的接通或断开。 开关的接通或断开。 • 这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以 这种接近开关检测的对象，不限于导体， 是绝缘的液体或粉状物等。 是绝缘的液体或粉状物等。
电容测厚仪结构示意图 l一金属带材 2一电容极板 3一传动轮 4一轧辊
电容式转速传感器
• 电容式转速传感器的工作 原理： 原理： • 齿轮外沿面为电容器的动 极板． 极板 ． 当电容器 定极板与 齿 顶相对时， 电容量最大， 顶相对时 ， 电容量最大 ， 而与齿隙相对电容量最小。 而与齿隙相对电容量最小 。 当齿轮转动时， 当齿轮转动时 ， 电容量发 生周期性变化． 生周期性变化 ． 通过测量 电路转换为脉冲信号， 电路转换为脉冲信号 ， 设 频率计显示为f， 频率计显示为 ，则n=60f/z
电容式转速传感器的结构原理1电容式转速传感器的结构原理 一定极板： 电容式传感 齿轮 2一定极板：3-电容式传感 一定极板 器 4频率计 频率计
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，
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
电容式传感器
2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
4.温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系， 从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两 方面。
24
四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
27
9
1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
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
5-2电容式传感器的测量电路 传感器课件
止，电容C1被以极短的时间充电至UE ，电容C2的电压 初始值为 UE ，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2 、RL放电，流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流iL 为i1 和i2的代数和。
±UE
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
R1
+ i1 C1
R2
5、调频电路
振荡回路固有电容
f 1
2 LC
引线分布电容
CC1C0Cc
f0
1
2 (
1
（ 5 3 2 ）
C 1 C 0 C c C L
Cx L
Δu 振荡器
Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器 Δu
图5-18 调频式测量电路原理框图
Q
5.3 电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题
5.3.1 电容传感器的特点
1．电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取 决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小， 只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理 选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。
（2）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高
与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电 压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。
4、差动脉宽调制电路
利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲 的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤 波器得到对应被测量变化的直流信号。
C1、C2为差动式传感器的
D1
两个电容，若用单组式， 则其中一个为固定电容， 其电容值与传感器电容初 Ur
±UE
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
R1
+ i1 C1
R2
5、调频电路
振荡回路固有电容
f 1
2 LC
引线分布电容
CC1C0Cc
f0
1
2 (
1
（ 5 3 2 ）
C 1 C 0 C c C L
Cx L
Δu 振荡器
Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器 Δu
图5-18 调频式测量电路原理框图
Q
5.3 电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题
5.3.1 电容传感器的特点
1．电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取 决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小， 只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理 选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。
（2）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高
与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电 压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。
4、差动脉宽调制电路
利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲 的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤 波器得到对应被测量变化的直流信号。
C1、C2为差动式传感器的
D1
两个电容，若用单组式， 则其中一个为固定电容， 其电容值与传感器电容初 Ur
电容式传感器的应用
电容式传感器的原理及应用电容传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量,还能测量液面、料面、成分含量等热工参量。
这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。
因此,电容传感器在自动检测技术中占有很重要的地位,并得到广泛的应用。
电容式传感器有着许多优点,应用也非常广泛,本文介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。
一．基本原理电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。
由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=εS/d。
可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型。
1.1变间距型电容传感器如图(1)所示,1为固定极板,2为可动极板。
当可动极板向上移动x,则电容的增量为ΔC=εS/(d-x)-εS/d=-εS/d(x/(d-x))=C0/d(x/(1-x/d))所以灵敏度S=Δx=C0/d=C0/d(1+x/d+x/d2+x/d3+……)。
从上式中可以看出,电容的变化量与极板移动的位移有关,而且当x/d<<1时,可以近似地认为ΔC=S·x，成线性关系。
为了提高灵敏度可以适当减小电容器初始间距和增大初始电容值。
1.2变面积型电容传感器如图所示,下面的极板为动片,上面的极板为定片。
当动片与定片有一相对线位移时,两片金属极板的正对面积变化,引起电容量的变化。
当线位移x=0时,设初始电容量为C0=εab/d,当x≠0时,Cx=ε(a-x)b/d=C0(1-x/a),因此ΔC=-C0x/a,灵敏度S=-C0/a。
可见变面积型传感器是线性传感器,增大初始电容可以提高灵敏度。
1.3变介质型电容传感器二．电容式传感器的应用1.触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。
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模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
二、变面积式电容传感器
传
感
器
原
理
及
应
用
直线位移型电容传感器
角位移型电容传感器
直线位移型电容传感器的电容变化量：
ab (a x)b bx
C C0 C d
d
d
电容变化量与移动距离x成线性关系
模块二 力敏传感器及其应用
选用带同轴接地管全绝缘探头。
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传 感 器 棒状电极（金属管）外面包裹聚四 原 氟乙烯套管，当被测液体的液面上 理 升时，引起棒状电极与导电液体之 及 间的电容变化。 应 用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
及 恶劣的环境下使用等优点，但它具有分布电容影响严重
应 的缺点。
用
在位移、压力、液位等物理量测量中得到广泛应用。
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
电容式传感器的工作原理
传
感
平板式电容器的电容量：
器 原 理 及
C A
d
A为两极板相互覆盖的有效面 积；d为两极板间的距离； 为极板间介质的介电常数。
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传 感
学习目标： 使学生了解电容式传感器的工作原理、
器 测量电路及应用电路。
原 理 及
学习重点： （1）电容式传感器的工作原理；
应 （2）电容式传感器的测量电路和应用。
用 学习难点：
电容式传感器的测量电路和应用。
模块二 力敏传感器及其应用 2.2.2 电容式传感器
2.2.2 电容式传感器
电容式液位传感器的外形图，主要有棒式和缆式两种 传 感 器 原 理 及 应 用
电容式液位传感器的外形图
模块二 力敏传感器及其应用 2.2.2 电容式传感器
传
感 器 原 理 及 应 用
电容式液位传感器不仅能测量腐 蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒， 可用于制药、化工、食品等行业。如 啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线 液位测控、制药厂反应罐、油箱液位 测量等。
传 ＊应用：
感
器
各种汽车、飞机的仪表盘上都有
原 油箱油量的指示表，它是驾驶员要掌
理 握的重要参数之一——检测油箱液位 及 的高低 。
应
用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
电容式力敏传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
电容式力敏传感器
差动式结构优点：
传
1、减小非线性误差
感
2、提高传感器灵敏度
器
3、减小寄生电容的影响
原
4、减小温度、湿度等环境因素的影响
理
及
应
ε0
C1
用
Δδ
d2 d1
ε0
C2
模块二 力敏传感器及其应用 2.2.2 电容式传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
应用
指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万 个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面， 当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘 物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的 电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导 体之间的距离不同而变化。
2.2.2 电容式传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
三、变介电常数式电容传感器 传 感 器 原 理 及 应 用
变介电常数式电容传感器
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
应用：测量头构成电容器的一个极板，另一个极
传
板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和
感
接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相
器
连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物
原
体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或
理
粉状物体
及
应
被测物体
感应电极
用
振荡电
路
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传
运动放大器式测量电路：
感
器 原 理 及
u0
c0 cx
ui
应
用
模块二 力敏传感器及其应用
生产中电容式液位传感器
模块二 力敏传感器及其应用
采用VG4620的 传 液面报警控制电 感路 器 原 VG4620是一种单 理 片式液面报警控 及 制集成电路，双 应 列直插8脚封装。
用
2.2.2 电容式传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
电容式力敏传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传
资讯
感
器
电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的
原 一种传感器。它具有高阻抗，小功率；动态范围大，响
理 应速度快；几乎没有零漂；结构简单、适应性强，可在
2.2.2 电容式传感器
一、变间隙式电容传感器
传
感
器
原
d
d 取值不能大，否 则将降低灵敏度, 实际应用常采用
差动式结构
理
Δd
及
应 用 电容变化量为：
A A
d
C C C0 d d d C0 d d
电容变化量与极距d成非线性关系
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
+
A
+
变间隙式（或变极距式）
应
+
用
变面积式
d
变介电常数式
模块二 力敏传感器及其应用
2.2.2 电容式传感器
传 感 器 原 理 及 应 用
各种电容式传感器的结构示意图 变极距(δ)型：(a)、(e)；变面积(S)型：(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、（h）；
变介电常数(ε)型：（i）～（l）
模块二 力敏传感器及其应用