电容式传感器

§4.1 电容式传感器概述
一、基本工作原理
+ + +
AS
X

两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为
C
S

0 r S
ε电容极板间介质的介电常数，ε0 为真空介电常数，εr 极板间介质 的相对介电常数；S两平行板所覆盖的面积； 两平行板之间的距离。 《传感器原理及应用》
k0 C x
b
d
• 输出特性为线性关系 • 适合大位移测量 • 可实现直线位移
《传感器原理及应用》
(2)角位移型
θ
动极板
定极板
电容式角位移传感器原理图
《传感器原理及应用》
当动极板产生角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积改变, 两 极板间的电容量改变。
当θ=0 时,
C0
0 r S 0 0
《传感器原理及应用》
电容式传感器的特点
• • • • •
电容器容量小(几十～几百微法)，输出阻抗高; 极板静电引力小，工作所需作用力很小； 可动质量小，固有频率高，动态响应特性好； 功率小，本身发热影响小； 可以进行非接触测量。 电容式接近开关
电容式差压传感器
《传感器原理及应用》 电容式压力变送器

ab

d dx 1 C1 1 C3
0
ab
C
ab d dx
0

dx

《传感器原理及应用》
C C0 C C0
ab d dx


dx
0

( C0
1 C 0 1 0 d dx dx ( ) d 0
3
做线性处理(忽略高次项)后，电容相对变化量 与电容极板的极距变化成正比
C C0
0
定义电容传感器灵敏度为
k0 C / C0 1
0
《传感器原理及应用》
☻
•
• •
讨论：
C / C0 1
k 变极距型电容传感器灵敏度与初始极距有关；
0


0
要提高传感器灵敏度 k0 应减小初始极距 0 ，但初 始极距受电容击穿电压限制； 非线性误差随相对的位移 的增加而增加，为 保证线性度应限制相对位移，限制了测量范围；
第四章 电容式传感器
§ 电容式传感器概述 4.1 § 电容式传感器的输出特性 4.2 § 测量电路 4.3 § 应用举例 4.4
《传感器原理及应用》
第四章 电容式传感器
本章要求

掌握不同形式电容式传感器的结构、工作原理
和输出特性

了解电容式传感器测量转换电路原理和工程上
使用检测方法
《传感器原理及应用》
0
0
C C0


0
0 2 3 [1 ( ) ( ) ] 0 0 0

• •
另外，初始极距 0 与灵敏度、线性度相矛盾，变 极距型电容传感器适合测小位移； 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
《传感器原理及应用》
§4.2 电容式传感器的输出特性
《传感器原理及应用》
三、变介质型电容传感器
变介电常数式电容传感器与传感器结构有关，
• • • • 分以下几种情况： 测介质厚度 (纸张、薄膜厚度）_图a 测介质位移（介质位置变化）_图b 测介质材料（介电常数，如介质材料、液位)_图c 测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d
《传感器原理及应用》
形 。
《传感器原理及应用》
《传感器原理及应用》
3、变介电常数型电容传感器
这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位 移(图b)、液位(图c)。 还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容 量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等
《传感器原理及应用》
《传感器原理及应用》
§4.2 电容式传感器的输出特性
C
s

0 r s

其中：
0 — 真空介电常数
r
— 空气介质的相对介电常数近似为 r
0
1
仅改变一个参 数，该参数的变化可 转换为电容量的变 化，通过测量电路就 可转换为电量输出。
改变式中
S 极板面积，称变面积型电容传感器 —

—
电容式传感器
极板距离，称变极距型电容传感器
C C C0 =-
a d Δx S
0 r a x b
d
C0
b
0 r x b
d
x 式中；C0=ε0εr b a /d 为初始电容，电容相对变化量为：
C C0 x a
《传感器原理及应用》 显然，ΔC与动极板位移Δx呈线性关系
☻讨论： • （平板）变面积式电容传感器灵敏度k0 为常数；
《传感器原理及应用》
应用实例（电容测深度、角度）
液位测量
角度测量
《传感器原理及应用》
电容式接近开关 •
ATM专用人体接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器 件, 可准确探知附近人物的靠近，是目前作为防盗报警和状 态检测的最佳选择。 采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可 靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出， 直接触发报警录像。探测人体接近距离远近可调，可调节半 径为(约)0-5米。
• 相对非线性误差为

L
0
(

☻ 结论：
0
) 100%
2
• 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍； • 非线性误差减小（多乘 / 0 因子）。
《传感器原理及应用》
§4.2 电容式传感器的输出特性
《传感器原理及应用》
例:
一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初 始间隙d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求： 1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm, 电容变化量 是多少? 2)若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏度S2=5格 /mv, 当Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格? 解： 1）
0
1)
dx d dx d
1 (
0
1)
当 d x / d 1时 ，
C C0
0 dx 1 d
传感器的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。 当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。 《传感器原理及应用》
2、单组平板位移式电容传感器
•
《传感器原理及应用》
电容式触摸板(屏)及按键 • 对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从电阻式转 移至电容式触摸屏技术。 • 2011年前，近25%的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触 摸屏。
《传感器原理及应用》
如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机
方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触 方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。
(3)圆柱位移型
d D H Δh
圆柱位移型电容传感器原理结构示意图
《传感器原理及应用》
当Δh = 0 时,
C 2 H ln D d
d D
0
H
Δh
C C0 C0
h H
于是：
C 2 h ln D d C0 h H C C0 h H
可见，电容量的变化ΔC与高度的变化 Δh 呈线性关系。
当分母
0

< < 1 时，用泰勒级数展开
[1
C C0
0
0
(

0
) (
2

0
) ]
3
《传感器原理及应用》
§4.2 电容式传感器的输出特性
C C0 [1 ( ) (
2

0
0
0
0
) ]
第四章 电容式传感器
概述
被测非电量
电容器 特性
电容值
测量 电路
U、I、f
电容式传感器的定义 以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变 化的传感器。
传统电容式传感器主要用于位移、角度、振动、加速度 等机械量精密测量。
现代电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份 含量等方面的测量。
§4.1 电容式传感器工作原理和结构
1、单组平板厚度式电容传感器
设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物 的厚度和介电常数分别为dx和ε, 则
d
dx
C1 C2 C3 C
《传感器原理及应用》
1 C

1 C1

1 C
2

1 C
3
d
dx
C2
ab
dx

ab dx
dx 1 C2
《传感器原理及应用》 2）S1*S2*ΔC=100*5*0.01=5格
§4.2 电容式传感器的输出特性
二、变面积型电容传感器
两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。
《传感器原理及应用》
(1) 线位移型
a d b
Δx
S
x 线位移型电容传感器原理图
《传感器原理及应用》
动极板沿定极板移动Δx，则电容量变化为：

0
(

0
) ]
3
《传感器原理及应用》
§4.2 电容式传感器的输出特性
C C0 电容相对变化量 2 [1 ( ) (
2

0