电容传感器新型电容测量电路设计

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电容传感器桥式电路介绍PPT课件

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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

C 0 A
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
虽然面积变化型电容传感器在理想情况下灵敏度为常 数,不存在非线性误差,但实际上因为电场边缘效应 的影响仍存在一定的非线性误差,且灵敏度较低。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
11
1.3 介质变化型电容传感

对于图所示的液位测量用介质变化型
电容传感器,传感器的总电容C等于
上、下两部分电容C 和C 的并联,即
1
2
C
ห้องสมุดไป่ตู้C1
C2
20 l h
ln
D d
2 x0l
ln
D d
a
bh
灵敏度S C b 2 x 10 =常数
h
ln
D d
由上式可知,这种传感器的灵敏度为常数,电容C理论上与液位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的值。
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。 12
13
二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后, 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
14
2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为 电桥的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
图所示的电桥型电路,是一种电感、电容组成的桥 路,电桥的输出为一调幅波,经放大、相敏解调、 滤波后获得输出,再推动显示仪表。

电容式传感器的等效电路

电容式传感器的等效电路

1 变压器式交流电桥
图4-6 变压器式电桥线路方框图 图4-7 变压器式电桥等效电路图
2 紧耦合比率臂交流电桥
图4-8 紧耦合电感比率臂电桥
图4-9 紧耦合电感比率臂电桥等效电路
图4-8与图4-9电路参数之间的对应关系为
Z12 Zs Z p jL
ZZps
jM
Z12
jKL KZ12
d0
d0 d0
C
S d0
C
C
C0
S
d0
很明显,这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系。
a
d
x S
b
动极板 定极板
x
变面积型电容传感器原理图 电容式角位移传感器原理图
4.2.3 变介质式电容式传感器
面积S与介电常数的位置是等价的,因此当介电常数的变化量为△ε时,电容量的变 化量为
灵敏度为
4.1.2 基本结构 电容式传感器可分为变间隙式、 变面积式和变介电常数式三种。
图4-2 变间隙式电容传感器
图4-3变面积式电容传感器示意图
图4-4 变介电常数式电容传感器示意图
4.2 传感特性
4.2.1 变间隙型电容传感器
当εr和S为常数,初始极距为d0时
C S 0r S
d0
d0
设动极板2位移 x ,参考方向为向 x 0 上运动,即动极板2上移,
A、B两端间的等效电容为
Ce
1
C Cp
2L(C
Cp)
Ce
C
1 2L(C
Cp)
应保证激励频率的稳定性。在较高激励频率下使用电容传感器时,每当改变激励频 率或者更换传输电线时都必须对测量系统重新进行标定。
4.4 电容式传感器的信号调理

电容式传感器PPT课件

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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

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。

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计的开题报告

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计的开题报告

一种新型的电容层析成像探测器系统研究与设计的开题报告一、选题背景及意义电容层析成像(Capacitive Image Reconstruction, CIR)是一种基于电容变化的成像技术,利用离散的电容测量为基础对被测目标进行成像,具有能耗低、成像速度快、非接触性等优点。

近年来,由于该技术在医学成像、工业检测、机器人视觉等领域的应用价值越来越明显,因此在科学界和工业界受到了广泛关注。

目前,国内外学者对于电容层析成像技术的研究已经有了许多成果,但是现有的电容层析成像探测器系统还存在着成像精度较低、测量范围有限、成本较高等问题,因此如何提高电容层析成像探测器系统的测量精度和成像分辨率,使其实用化程度更高,成为目前该领域需要解决的难题。

二、研究目标本课题旨在研究一种新型的电容层析成像探测器系统,以提高其测量精度和成像分辨率,实现其在医学成像、工业检测、机器人视觉等领域的广泛应用。

三、研究内容和方法(1)电容层析成像原理和技术的研究。

通过对电容层析成像的理论模型和成像算法的研究,分析其在理论上的优势和不足,为研制新型探测器系统提供基础理论支持。

(2)设计一种新型电容层析成像探测器系统。

设计一种基于电容层析成像原理的新型探测器系统,通过对探测器电路的改进和设计,提高其测量精度和成像分辨率。

(3)基于MATLAB平台的系统仿真和实验验证。

利用MATLAB软件对设计的探测器系统进行仿真模拟和成像实验,分析系统的性能指标和成像效果。

四、预期成果和创新点本课题重点在于设计一种新型的电容层析成像探测器系统,预计可实现以下几个创新点:(1)利用精密电容传感器替代传统的电容板,提高测量精度和成像分辨率。

(2)基于小信号放大技术设计电路,提高电容测量信号的有效性和抗干扰能力。

(3)引入深度学习算法,优化成像算法,提高图像质量和精度。

本研究的成果将可应用于医学、工业、机器人视觉等领域,实现更精细、更准确的成像效果,提高电容层析成像技术的应用价值和市场竞争力。

电容式传感器

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。

基于电容传感器厚度测量系统设计


摘要 : 为 了能在 各种 环 境 中 实时检 测材 料 的厚
度信 息 , 设 计 了 一 种 厚 度 测 量 系 统 。 以 变 介 电 常 数 电容 传 感 器 、 5 5 5定 时 器 、 处 理 器 AT8 9 S 5 1及 液 晶 L C D1 6 0 2构 成 硬 件 电路 , 采 用 C 语 言 进 行 软 件 编
文 章编 号 : 1 0 0 l一 2 2 5 7 ( 2 O 1 3 ) O 4— 0 0 4 4— 0 3
Ab s t r a c t : I n or d e r t o t e s t t he t hi c kn e s s i nf o r — ma t i on o f t he ma t e r i a l i n v a r i o us e nv i r on me nt s i n
LAN YI 1
( De p a r t me n t o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g, S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e , Xi a n y a n g 7 1 2 0 0 0, Ch i n a )
t i me , t h e p a p e r d e s i g n s a k i n d o f t h i c k n e s s me a s —
u r e me nt s y s t e m .I t’S h a r d wa r e c i r c ui t u s e s t he
s t r u c t u r e o f v a r i a b l e d i e l e c t r i c c o n s t a n t c a p a c i t a n c e

电容电感检测电路设计

电容电感检测电路设计
电容电感检测电路设计是一种常见的电路设计方法,旨在测量电
容和电感器件的电性能。

该电路设计涉及到一些基本的电子元件,如
电容、电感、电阻和半导体器件等,并且需要合理的布局和连接方法
来实现正确的电路功能。

电容电感检测电路的工作原理是通过测量电容或电感组件的响应
来确定其参数和质量。

在电容检测电路中,一个可变的电压源被应用
于电容,然后通过对电压和电流的测量,可以计算出电容的值。

而在
电感检测电路中,则是将一个可变的电阻串联在电感上,并根据电阻
值和频率来计算电感的参数。

在电容电感检测电路的设计中,需要考虑许多因素,如电源电压、信号幅度和频率,以及布局和连接方式等。

此外,还需要选择合适的
元件来实现电路的功能,并确保元件的参数符合设计要求。

总之,电容电感检测电路设计是一项为了测量电容和电感器件的
电性能而需要掌握的重要电路设计技术。

通过合理的电路布局和元件
选择,可以实现准确、稳定的电路功能,从而满足不同的检测需求。

传感器技术 电容式、测量电路

☎ 寄生电容与传感器电容并联,严重影响传感器的输出特 性。消除寄生电容的影响,是电容式传感器实用的关键。 下面介绍几种消除电缆寄生电容影响的方法:
① 驱动电缆法
☻ 原理:驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽 层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位,使两电 位的幅值和相位均相同,从而消除电缆分布电容的影响。
11
介质变化型电容传感器
☻ 原理:利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电
容变化的传感器称为介质变化型电容传感器。 以电介质插
入式为例, C C1 C2
0a
[ r1(
L
x
)
r2x
]
x
L

S dC
应用特性: dx
0a
(
r2
r1
)
① 变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材 料的温度、湿度和厚度等。
② 介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量, 其灵敏度与介电常数的差值(ε2-ε1)的值成正比,(ε2-ε1)值 越大灵敏度越高。
2020/6/30
12
应用中存在的问题和改进措施
(1) 等效电路(Equivalent circuit)
☎ 考虑电容传感器在高温、高
湿及高频激励的条件下工作,
而不可忽视其附加损耗和电 效应影响时,其等效电路如
C—传感器电容;RP—低频损耗并联电 阻; RS—串联损耗电阻;L—电容器及
图。
引线电感;CP—寄生电容
☎ 在实际应用中高频激励时,每当改变激励频率或者更换 传输线缆时,会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生 变化,因此必须对测量系统重新进行标定。
2020/6/30
13
应用中存在的问题和改进措施

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
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电容传感器新型电容测量电路设计
佘生能,孙士平
(长江大学测控技术教研室,湖北荆州434000)

摘 要:提出了一种基于VΠT变换的用于电容传感器的电容测量电路。它将被测微小电容变化量转换成时间信号
并由单片机进行处理,电路结构简单,电路中没有影响测量稳定性和产生零点漂移的元器件,大幅度地降低了测量
过程中的噪声。
关键词:电容测量;VΠT变换;恒流源
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:167224984(2005)05200422
02

Designofnewcapacitancemeasuringcircuitforcapacitancesensor
SHESheng2neng,SUNShi2ping
(DepartmentofTestingandControlTechnology,YangtzeUniversity,Jingzhou434000,China)

Abstract:AnewcapacitancemeasuringcircuitbasedonVΠTisdevelopedforcapacitancesensor,itcanbeusedtotransformthe
lowcapacitancechangeintotimeandprocessedbysingle2chipmicrocomputer,thecircuitsformeasuringissimple,thenoiseare
alsoreducedgreatlybecauseofnoanyamplifierandinstablecomponentsinfluencedbydrift
1
Keywords:Capacitancemeasurement;Voltage2timetransfomer;Constantcurrentsource

收稿日期:2004208221;收到修改稿日期:20042112
16

电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量,在某些场合,传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小[6],这就对电容测量电路提出了更高的要求。目前用于解决测量小电容的方法主要有电荷转移法和交流法,这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对电容充放电,形成与被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被测电容值。它们的共同缺点是脉动噪声大,需使用滤波器及考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高[2,3],本文提出的基于VΠT变换的电容测量电路,对被测电容只进行一次充放电即可完成对电容的测量,且电路结构简单,稳定性好。1 测量原理在电子技术领域内,频率是一个最基本的参数,频率与其他许多电参量的测量方案测量结果都有十分密切的关系,而且,在电子测量中,频率的测量精确度是最高的[1,5],如果能将待测电容变换成与频率有关的量如周期,则可大大提高测量精度,本文正是基于这一思路来设计电容传感器的测量电路的。测量电路原理如图1,电流源I0为4DH型精密恒流管,它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回
路,电容C的两端连接到电压比较器P的输入端
,

测量过程如下:当
K

1
闭合时,基准电压给电容充电


U

c=Us
,然后K1断开,K2闭合,

电容在电流源的

作用下放电,单片机的内部计数器同时开始工作,当
电流源对电容放电至
U

c
=0时,比较器翻转,

计数

器结束计数,计数值与电容放电时间成正比,计数脉
冲与放电时间关系如图2。
电容电压
U

c
与放电电流I0的关系为
:

Uc=Us-1c∫t0I0dt=U
s
-

I0t

c
(1)


U

c
=0,则有:

c
=I0・tUs=
I
0


NT

c

U
s

(2)

式(2)中,N为计数器的读数,Tc为计数脉冲的周
期,它是一个常数,在Us和I0为定值时,C与N成
正比。
2
 测量电路元件及参数选择
电流源选用在国内外得到广泛使用的4DH1型
精密恒流管,它是以低温度系数,高电流稳定度和起
始电压低,可靠性高,恒定电流可调和温度系数可调
为特征的精密集成电路恒流器件,输出电流在
01005mA~011mA之间,输出动态阻抗大,
约为

第31卷第5期 2005年9月中国测试技术
CHINAMEASUREMENTTECHNOLOGY
Vol131 No15

Sept,2005

10MΩ。当工作电压在2V~50V范围内波动时,
不影
响它的电流输出
[4]
,
基准电压Us的选择在考虑测量

灵敏度的同时,必须保证恒流源的端电压在正常工
作范围内,因为电容放电时,电流源的工作电压为电
源电压与电容电压之差。该电路中,电源电压为
20V,基准电压取15V
。电压比较器的选择主要是考
虑它的输入端翻转电平重复性好,即在受到噪声干
扰或温度变化时,翻转电压变化要小,LM211的翻转
电压约为10mV左右,即使受到干扰,变化应在毫伏
级,适合作电压比较元件。单片机为AT89C51,模拟
开关选用CD4051。
3
 电路实验和结果
因为恒流源4DH1的输出动态阻抗大,模拟开
关的导通电阻及串联回路中的寄生电容和分布电容
对测量结果不构成影响,但是传感电容两端的寄生
电容则会造成测量结果偏离实际值,为了减小这一
误差,进行两次测量,第一次测量将传感电容的初始
值存入存储器,当输入信号作用在传感器上使电容
值发生变化时,进行第二次测量,两次测量的差值与
电容的变化量应成正比。实验中,电流源调为
50μA,基准电压取15V,电容初始值6800pF,
电容步
进增量为100pF,实验数据见表1。
表1 实验数据

C(pF)6800690070007100720073007400750076007700
N1022103510511066108210961113112911461160
4
 误差分析
该电容传感器实际误差±50pF,分辨力
30pF,

误差来自以下几个方面
:

(1)
电流源的温度漂移及噪声误差,4DH1型恒

流管的温度系数在20×
10

-5
Π℃左右,当环境温度变

化范围比较大时,由它引起的误差将影响测量结果
,

另外,电流源在电子开关接通瞬间,因电流不能突变
也会引入误差。
(2)
过零比较器的重复性误差。当电容电压下

降到0伏左右时,比较器翻转,如果每次翻转电平相
同,则在程序中可将它补偿掉,但实际应用中总是有
微小差别,我们所选用的LM211翻转电平大约在
10

毫伏左右,重复误差应在几个毫伏,适当提高放电电
容的初始电压(即基准电压
U

s
)
可有效降低它对测

量结果的影响。
(3)
单片机内部计数器的±1误差,这是所有数

字化仪器的固有误差
[1]
,
它引起的时间测量误差为

2μS,
可忽略不计。
5
 结 论
本文所提出的基于电压2时间变换电容传感器
新型电容测量电路,采用了电子技术中准确度较高
的时间测量原理,克服了传统测量微弱信号电路中
放大器的稳定性不好,零点漂移大等缺点,且电路结
构简单,测量精度和分辨力高。
参考文献
[1] 沙占友,等1新编实用数字化测量技术[M]1北京:

防工业出版社,19981
[2] 王 雷,等1电容传感器新型微弱电容测量电路[J]
1
传感技术学报,2002(4):273-2771
[3] 张玉艳,
等1用于差动电容传感器的高分辨率电路的
研究[J]1传感技术学报2002,1:51-551
[4] 沙占友1特种集成电源最新应用技术[M]1北京:
人民
邮电出版社,20001
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西
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[6] LottersJC,OlthuisWandVeltinkPH,etal1Asensitive
differentialcapacitancetovoltageconverterforsensor
applications[J]1IEEETransInstrumMeas,1999,48(1):89
-96
1

第31卷第5期
佘生能等:电容传感器新型电容测量电路设计

 43

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