电容式传感器(传感器的理论设计及应用)
完整版电容式传感器课程设计方案
完整版电容式传感器课程设计方案一、课程概述本课程设计旨在介绍电容式传感器的原理、特点以及应用，通过实践操作和实验演示，培养学生的实际应用能力和创新思维能力。
课程设计涵盖了传感器的基础知识、电容式传感器的原理和构造、电容测量电路以及电容式传感器的应用场景等内容。
二、课程目标1.掌握电容式传感器的基本原理和构造；2.熟悉电容测量电路的设计与实现；3.理解电容式传感器在不同领域的应用；4.能够进行电容式传感器的实验操作和数据分析。
三、教学内容和方法1.电容式传感器的基础知识（4学时）-电容的基本概念和计算方法；-电容式传感器的分类和特点；-电容式传感器的工作原理。
2.电容式传感器的原理和构造（6学时）-电容式传感器的工作原理和应用范围；-常见的电容式传感器类型及其特点；-电容式传感器的结构和工作原理。
3.电容测量电路的设计（8学时）-常见的电容测量电路的设计原理；-电阻-电容（RC）电路的设计和实现；-桥式电阻-电容（RC）电路的设计和实现；-电容式传感器的输出信号处理和放大。
4.电容式传感器的应用（6学时）-温度测量与控制；-液位检测与控制；-压力传感与控制；-人机交互与触控技术。
5.实验操作和应用案例（6学时）-实验操作：电容的测量和计算；-实验操作：电容式传感器的特性测量；-应用案例：温度测量与控制；-应用案例：液位检测与控制。
四、教学评价1.实验报告和作业：根据实验操作和应用案例，学生需提交实验报告和作业，考察其对电容式传感器的理解和应用能力。
2.课堂讨论和展示：鼓励学生在课堂上参与讨论，展示自己对电容式传感器的理解和实验操作的结果。
3.课程项目：以小组形式设计一个电容式传感器的应用项目，要求学生能够设计并实现一个基于电容式传感器的控制系统，考察学生的创新思维和工程实践能力。
五、教材参考1.《传感器技术与应用》（第3版），明山，高等教育出版社。
2.《电容式传感器技术与应用》（第2版），姚文奇，机械工业出版社。
电容式传感器原理和应用
2(d)
d0
d0
比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之 后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降 低了。
4.3 特点及应用中存在的问题
4.3.1 电容式传感器的特点
1．优点： ●温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关， 有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻， 供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游 和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
图4-1 变极距型电容传感器原理图
4.1电容式传感器的工作原理和结构
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大
Δ由C式，(则4C -3有)知C0传 感C器d的00输rA出d特C1性0(1(Cdd =0d2)d02f()d)不是(4线3)性关系，
而是如图4-2所示的曲线关系。
C d 1d
(1 )
C0 d0
d0
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
(d)2 d
100%
d
100%
d
d0
d
由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减 小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而 增大。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。
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
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
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用1. 原理介绍电容式传感器是一种常见的传感器类型，其原理基于电容的变化来测量所需物理量。
其主要由两个电极组成，当物理量变化时，电极间的电容值也会相应变化。
具体的原理可以分为以下几个方面：1.表面电容式传感器表面电容式传感器是将电容电极直接安装在物体表面的一种传感器。
当物体靠近或接触电极时，会产生电容的变化。
例如，在触摸屏上，当手指接触到屏幕上的电极时，手指与电极之间会形成一个电容。
2.并联电容式传感器并联电容式传感器由两个电容连接在一起并与被测量物体平行放置，形成一个并联电容器。
当物体靠近电容器时，会改变电容的值。
这种传感器常被应用于金属检测。
3.变容电容式传感器变容电容式传感器的电容值与物体的形状或位置相关。
当物体移动或改变形状时，电容的值也会相应变化。
这种传感器常用于测量液位、位移或压力等物理量。
2. 应用领域电容式传感器具有广泛的应用领域，以下是一些常见的应用案例：1.液位检测电容式传感器被广泛用于液位检测领域。
通过将传感器浸泡在液体中，可以测量液位的变化。
这种传感器常被应用于油罐、水箱和化学容器等领域。
2.接近传感电容式传感器在接近传感领域也有重要的应用。
通过检测传感器与目标物体之间的距离，可以实现自动控制和触摸功能。
这种传感器广泛应用于自动门、自动照明和触摸屏等领域。
3.物体计数电容式传感器可以用于物体计数应用中。
通过检测物体与传感器之间的电容变化，可以实现物体的计数和分类。
这种传感器被广泛应用于流水线和自动化生产过程中。
4.温度测量电容式传感器还可以用于温度测量。
通过使用特殊的电容介质，传感器可以测量物体的温度变化。
这种传感器常用于实验室和工业生产中，可以提供精确的温度测量。
总结：电容式传感器利用电容的变化来测量物理量的原理，具有广泛的应用领域，包括液位检测、接近传感、物体计数和温度测量等。
其原理简单，结构紧凑，对于许多应用场景都有很好的适应性。
电容式传感器的应用
传感检测技术基础
图中动尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度为l0的发射电极片1，2， 3…8，用E表示，公共接收电极为R，定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、
宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1，M2，…电极片间互相电绝缘。
5.容栅式传感器在角度测量装置中的应用
容栅式角度传感器最早应用在Bowers-Sylvac公司生产的电子 数显内径千分尺上。我国自行研发的2片5节距角度传感器的分 辨率可达0 .1 μm。在千分尺的测杆上套上一个容栅式传感器与 螺杆同轴旋转，将螺杆的角位移变成相应的电信号。传感器动 片上有5块均匀分布、相互绝缘的金属条，为接收极，在定片上 均匀分布着40个金属条，通过金属小孔，从背面每隔7条连在一 起，分成5组，每组内有8个金属条，通过引出线分别与8个相位 依次相差450的激励方波连接，为发射极。随着动栅板相对定栅 板角位移的变化，通过电容组使接收极板上合成信号的相位也 随之成比例地变化。用8031单片机控制的容栅测角仪，结构微 型化，可用电池供电，硬件主要是放大滤波电路和液晶显示电 路，主要功能依靠单片机内部功能和软件实现。测量结果表明， 测量精度在±3'以内，重复精度为±1'，测量速度大于400次/秒。
传感器的结构示
4
5
A面
6
2
意图如图4.21所
Cx1
示。质量块4由两
3
根簧片3支撑于充
满空气的壳体2内，
2
弹簧较硬使系统
Cx2
的固有频率较高，
因此构成惯性式 加速度计的工作ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ状态。
B面
1
1、5—固定极板；2—壳体；3—簧片；4—质量块；6—绝缘体
图 4.21 电容式加速度传感器结构示意图
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电容式传感器的应用
由于电子技术的发展，成功的解决了电容式传感器存在的技术问题，为电容式传感器
的应用开辟了广阔前景。
它不但广泛地用于精确测量位移、厚度、角度、振动等机械量，还
用于测量力、压力、差压、流星、成分、被位等参数。
下面就其主要应用作简单介绍。
一、电容式差压变送器
电容式差压变送器是70年代的新产品，它具有结构简单、小型轻量、精度高(可达o．25％)、互换性强等优点。
目前已广泛应用于工业生产中。
该变送器具有如下特点：
(1)变送器感压腔室内充灌了温度系数小、稳定性高的硅泊作为密封液；
(2)为了使变送器获得良好的线性度，感压膜片采用张紧式结构；
(3)变送器输出为标准电流信号，
(4)动态响应时间一般为o．2—15s。
图4—29为电容式差压变送器的结构图。
图4—29(6)为二空结构的电容式楚压变送器，图中I、2为测量膜片(或隔离膜六J，它们与被测介质直接接触，3为感压膜片，此膜片在圆周方向张紧，1与3膜片间为·—室，2与3膜片间为另一室，故称为二室结构。
其中感压膜片为可动电极，并与固定电极4、5构成差动式球—平面型电容传感器(”I和c”。
固定球面电极是在绝缘体6上加工而成。
绝缘体一般采用玻璃或陶瓷，在它的表面上蒸镀一层金属膜(如铝)作为电权。
感压的挠曲变形，引起差动电容cL和c”变化，经测量电路将电容变化量转换成标准电流信号。
因4—29(6)为一室结构的电容式差压交道器。
图中1、2为测量膜片，它们与被测介质接触。
3为可动乎
板电极，中心轴4把1、2、3连为一体，片簧5把可动电极在圆周方向张紧。
在绝缘体6上蒸镀金属层而构成固定电极7、8，并与可动电极构成平行扳式差动电容。
在可动电极与测量膜片间充满硅油作为密封刘，并有通道经节梳孔9将两电容连通，所以称为一室结构。
当两边被测压力不等时(严”＞PL)，测量膜通过中心轴推动可动电极移动，因而使差动电容cj和cX发生变化。
以下着重分析二室结构电容式差压变送器。
这种球—平面型电容量的变化可用单元积分法及等效电容法求得，如图4—30所示图中，c。
为电容初始电容；cJ为感压膜片受压后挠曲变形位置与感压膜片初始位置。
因此在求得Co和C4后便可由式(4—94)、式(十95)求得传感器的差动电容在图4—31中，由球面形固定电极墨和平膜片电极A形成一个球—平面型电容器。
在
图4—33为电容式测微仪探头的示意图。
电容式测微仪整机包括：高增益主放大器(包括前置放大器)、精密整流电路、测振电路和高稳定度(土24v)稳压电源。
并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽，其线路地和屏蔽盒相连接，而精密整流电路接大地。
电容式测微仪组
成框图如图4—34所示。
三、电容式液位计
液位计可以连续测量水池、水井和江河的水位、燃油等)的液位。
被测电容cf配置如图4—35所示的二极管环形测量桥路，可以得到正比于液位Af的直流信号。
环形测量电桥由四只开关二极管vDl—vDd，电感线圈L2和Ll，电容c3、C，被测电容c，和调零电容cJ以及电流表M等组成。
输入脉冲方波加在4点与地之间，电流表串联在上2支路内，c2是高频旁路电容。
由于电感线圈对直流信号是低阻抗，因而直流信号很容易从j点流经L2、电流表至地(公共端o点)，再由地经L1流回A点。
由于L1和L2对高频信号(／／l oooHz)呈高阻抗，所以高频方波及电流j目频分量均不能通过电感，这
样电流表A4可以得到比较稳定的直流信导。
当输入高频方波由低电平El跃到高电平62时，电容G和cJ两端电压皆为ET充电到j 2。
充电电荷一路由4经VDl到C点，再经cx到地；另一路由4经C到月点，再经vD3至月点对cJ充电月点流动的电荷量为
当输入高频方波由52返回z1时，电容巴和cJ均放电。
在放电过程中v1反伯截止，C．f经vD 2、凸、Ll至o点放电；(；经VD‘、j1至o点放电。
因而在72内由j点流向4点的电荷量为应当指出：式(4—108)、式(4—109)是在(＼电容值远大于Cc和cJ的前提下得到的结果。
电容C无放电回路如图4—35中纫实线和虚线箭头所示。
从上述充、放电过程可知，充电电流和放电电流经过电容C对方向相反，所以当充电与放电电流不相等时，电容c＼端产生电压差，在桥路4和置两点间有电流产生，可由电流表44指示出来。
当掖面在电容传感器零位时，调整cJ＝c‘o，使流经L1的充电电流相等，e 两端九电位差，4月两端无直流信号输出，电流表4J指零。
当被测电容C随液位变化而变化时，在凰＞cd的情况下、流经c＼的放电电流大于充电电流，电容C两端产生电位差并经电流M放电，没此时电流方向为正；当ci＜Q时，流经电流表4f的电流方向为负。
当cf＞cJ时，由上述分析可知，在一个充放电周期内(即7＝71十了z)，由B 点流向A点的电荷为
由式(4—111)可知，此电路中若高频方波信号频率／及幅值Az一定时，流经电流表M的平均电流Z与A乙成正比，即电流表的电流变化量与待测液位AA《成线性关系。