检测与转换技术课件：第4章4电容传感器
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电容式传感器ppt课件
第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，液体浸没电极的 高度就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成 线性关系。
若被测介质的介电常数 x 已知， 测出输出电容C的值，可求出待测材 料的厚度x。若厚度x已知，测出输出 电容C的值，也可求出待测材料的介 电常数x。因此，可将此传感器用作 介电常数x测量仪。
图4.9 测厚仪
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，液体浸没电极的 高度就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成 线性关系。
若被测介质的介电常数 x 已知， 测出输出电容C的值，可求出待测材 料的厚度x。若厚度x已知，测出输出 电容C的值，也可求出待测材料的介 电常数x。因此，可将此传感器用作 介电常数x测量仪。
图4.9 测厚仪
《传感器技术与应用》第四章 电容式传感器ppt课件
4.1.3 变介质式电容传感器
介量变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被丈量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。
主要用来丈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。
介量变化型电容传感器构造
1.位移型
介量变化型电容传感器构造
2.液位型
结论
传感器的灵敏度为常数，电容C实际上与 液面h成线性关系，只需测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
任务过程〔2〕
当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由 于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生 交变电场，被检测物体就会遭到静电感应，而 产生极化景象，正负电荷分别，使检测极板的 对地等效电容量增大，使LC振荡电路的Q值降 低。对能量损耗较大的介质〔如各种含水有机 物〕，它在高频交变极化过程中是需求耗费一 定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必 然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减 小。当被测物体接近到一定间隔时，振荡器的 Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压 U0的大小，可大致断定被测物接近的程度。
并能与计算机通讯，抗干扰才干强。
4.2电容式传感器的丈量电路
5.谐振电路: 振荡器提供稳定的高频信号经 过L1、C1回路选频，再经过电感耦合到LCx 谐振回路。当传感器电容Cx发生变化时，那 么引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会 使整流器的电流发生变化。变化的电流再经 放大器放大后就可经过仪表显示被丈量的变 化。
4.4.1 电容式压力传感器
电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性 元件的位移变化转变为电容的变化来实现丈量 的。
4.4.2 电容式加速度传感器
电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为 电容量变化，其构造表示图如图4-19所示
《传感器与检测技术》教学课件 第四章
传感器与检测技术
第四章 电容式传感器
图4-8为变介电常数型电容式传感器的原理图， 此时δ和S为常数，
图4-8 变介电常数型电容传感器原理图
传感器与检测技术
第四章 电容式传感器
当有一厚度为d的相对介电常数为εr的固体电介 质通过极板间的间隙时，电容器的电容可等效为
两个电容串联而成，总电容为
C 0S d dr
容的初始电容C0为：
C0
0A
0ab
•（4-2）
当动极板移动△x后，两板极间的电容变为：
C
0b(a
x)
C0
0b
x
•（4-3）
电容的变化量为：
C
C
C0
0b x
C0
x a
•（4-4）
传感器与检测技术
灵敏度K0为：
K0
C x
0b
第四章 电容式传感器
（4-5）
图4-3是改变极板间遮盖面积的差动电容传感器 的原理图。上、下两个圆筒是固定极板，而中间 的为可动极板，当可动极板向上移动时，与上极 板的遮盖面积增加，而与下极板的遮盖面积减小， 两者变化的数值相等，传感器输出为两电容之差。
传感器与检测技术
第四章 电容式传感器
•学习目标
掌握变面积、变极距、变 介质电容传感器的组成和 工作原理；了解电容传感 器的测量电路；掌握电容 传感器的基本使用方法。
传感器与检测技术
第四章 电容式传感器
第一节电容式传感器的结构、工作原理和特性
•以电容器作为敏感元件，将被测物理量 的变化转换为电容量的传感器称为电容式 传感器。当忽略边缘效应时，平板电容器 的电容量C可以表示为：
L
2 d (1 ( d )2 ) 2 d
《电容传感器》PPT课件
四、双T电桥
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，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20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
2021/4/24
4
轨道交通学院
School of Railway Transportation
二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
17
轨道交通学院
School of Railway Transportation
负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻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。
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，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20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
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二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
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负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻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。
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。
第04章电容式传感器ppt课件
4.3.1 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐 振回路的一部分。当输入量导致电容量发生 变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。
高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路
4.3.1 调频测量电路
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判 断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正
因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的 变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记 录下来
调频测量电路原理框图如图所示：
4.3.1 调频测量电路
图中调频振荡器的振荡频率为：
f
1
1
2(LC) 2
（4-13）
4.3.1 调频测量电路
✓调频电容传感器测量电路具有较高灵敏 度, 可以测至0.01μm级位移变化量
改变极板间距离(δ)的极距型传感器 改变极板遮盖面积（ A ）的面积型传感器 改变电介质介电常数〔ε0〕的介质型传感器
4.2 电容传感器分类
电容传感器分类结构图如下
电容式传感器
极距型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面积型
介质型
4.2.1 极距式电容传感器
➢当传感器的εr和A为常
+ +
+
数,初始极距为δ0时,由
式(4-1)可知其初始电
为此, 极板间可采用高介电常数的材料〔云母、 塑料膜等〕作介质
4.2.1 极距式电容传感器
此时电容C变为:
C
A
g 0
0 g 0
(4-4)
4.2.1 极距式电容传感器
➢式中: ➢ εg—云母的相对介电常数,εg= 7
ε0—空气的介电常数, ε0= 1 ➢ d0—空气隙厚度 ➢ dg—云母片的厚度
传感器与检测技术第四章.ppt
若 △d /d0<<1，则
d0 Δd 电容的变化量为： Δ C Cd C0 C0 d0 2019年4月3日星期三
Cd C0 (1
Δd
≈1，即
)
第4章 电容式传感器 变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的电阻式传感器。 （2）能够正确使用电容式传感器进行位移测量。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。
2019年4月3日星期三
第4章 电容式传感器
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。
f0
1 Δf 2π L(C0 Δ C C1 Cc )
调频振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波。
2019年4月3日星期三
第4章 电容式传感器
用调频系统作为电容式传感器的测量转换电路主要有以下特点：
（1）抗外来干扰能力强。 （2）特性稳定。 （3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）。 （4）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和 计算机接口。
图4-7
2019年4月3日星期三
变介电常数式电容传感器的原理图
第4章 电容式传感器
4.2 电容式传感器的测量转换电路 4.2.1 桥式电路
1.单臂桥式电路
（a）单臂桥式电路 图4-8 电容式传感器的桥式电路
平衡条件：
2019年4月3日星期三
C1 C x C2 C3
第4章 电容式传感器
2.差动桥式电路
第四章 电容式传感器《传感器原理及应用》课件
感器可得
U0
d2 d1
d1 d2
U
E；U
0
A2 A2
A1 A1
U
E
可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，
并具有理论上的线性特性。这是十分可贵的性质。在此指出： 具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由 二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。
另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，
6
4.2 电容式传感器的类型及特点
一、电容型传感器的等效电路
L
RS
A
Rp
C
B
L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；
Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C为传感器本身的电容；
Rp是极间等效漏电阻,极板间的漏电损耗和介质损耗;这部分损耗的影响通常 在低频时较大，频率高，容抗减小，影响小。
4
4.1 电容式传感器的工作原理
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
A
c A d
ε
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空 介电常数, εr为极板间介质相对介电常数;
A——两平行板所覆盖的面积;
d—两平行板之间的距离。
第四章 电容式传感器
电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和 电容)之一，利用电容器的原理，把某些非电量的变化通 过一个可变电容器转换成电容量变化的装置 ，称为电容 式传感器。电容式传感器实质上是一个具有可变参数的
电容器。
2020/7/7
1
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适 应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量 等。
传感器技术课件——电容式传感器
)
U SC
ZZ
1
2
(1
Z 1
)2
E
Z
2
Z U SC Z 1
对于电容传感元件来说，有如下关系：
Z ＝C d
Z1
C1
d1
a
18
Cr1
U Cr2 USC
变压器式交流电桥
变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多 采用。
差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗 极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输 入位移均成线性关系。
总的电容 C相当于上方气体介质间的电容量 C 1 和液体介质间电容量C 2 之 和（相并联）。
C 12 ln (D 0/2d h2 )2ln 0(D 2(h /d )h1)
C2
2 01h1
ln(D / d )
CC1
C2
202(hh1)
ln(D/d)
201h1
ln(D/d)
CAK1h
202
ln(D/d)
h20(1 2)
ln(D/d)
h1可见，同轴圆筒电容传感器的电容量
A
K
与液位成线性关系。
a
15
2. 电容式传感器的测量电路
电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此， 必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频 率信号。
与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调 频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。
变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。
a
11
（3） 介质变化型
C 0 A
当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容
检测与转换技术自学课件 第四章 电感式传感器
C ＋ U 2 － ＋ U 2 － D
Z1 ＋ U
o
A
Z2
－
B
当传感器的衔铁处于中间位置，Z1=Z2=Z，电桥平衡。
2016-4-22
19
衔铁上移：
Z U L U U o Z 2 L 2
衔铁下移：
L U Z U U o Z 2 L 2
2016-4-22
17
1 ( R j L) j C Z ( R jX L ) // jX C 1 R j ( L ) C
2016-4-22 18
等效线圈阻抗为
3. 变压器式交流电桥测量电路
桥路输出电压 ：
Z 1 2 U U U o U Z1 Z2 2 Z2 Z1 U Z1 Z2 2
d 项 L / L0 2 。 d0
3
于Δd/d0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。
2016-4-22 15
d 单线圈电感传感器的非线性项 L / L0 d0
2
。由
d 将 L 2 L0 代入式 d0
2RZ Uo U (L1 L2 ) 2 ( Z R)
2016-4-22
2
4.1 变磁阻（自感）式传感器
4.1.1 工作原理
结构:由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯 和衔铁之间有厚度为 d 气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。 衔铁移动气隙厚度 d 改变磁路中磁阻变化 电感线圈L变化
2016-4-22
L L0 K0 d d0
与变极距电容传感器相似，d0越小，灵敏度越高。 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相 矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移 的场合，一般 Δd =（0.1~0.2）d0。为了减小非线性误 差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。
【】传感器与检测技术 电容式传感器课件
则有：
C d d 1 d d d 2 d n (1 ) (1 ( ) ( ) ) C0 d d d d d d
C d d 1 d d d 2 d n (1 ) (1 ( ) ( ) ) C0 d d d d d d
(1)变极距型电容传感器
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 ，其电容变化量Δ C为
C C0 d d d d d d d d
该类型电容式传感器存 在着原理非线性，所以实 际应用中，为了改善非线 性、提高灵敏度和减小外 界因素(如电源电压、环 境温度)的影响，常常作 成差动式结构或采用适当 的测量电路来改善其非线 性。
2d C d d d 1 2 d C0 d0 d d0 0 0
2 4
灵敏度提高一倍 非线性减小
(2) 变面积型电容传感器
变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特 别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径 向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其 中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为
第4章 电容式传感器
图为IBM ThinkpadT4 2/T43 的指纹识 别传感器
指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也 被称为第二代指纹识别系统。 下图为指纹经过处理后的成像图：
电容式指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
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。
C d d 1 d d d 2 d n (1 ) (1 ( ) ( ) ) C0 d d d d d d
C d d 1 d d d 2 d n (1 ) (1 ( ) ( ) ) C0 d d d d d d
(1)变极距型电容传感器
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 ，其电容变化量Δ C为
C C0 d d d d d d d d
该类型电容式传感器存 在着原理非线性，所以实 际应用中，为了改善非线 性、提高灵敏度和减小外 界因素(如电源电压、环 境温度)的影响，常常作 成差动式结构或采用适当 的测量电路来改善其非线 性。
2d C d d d 1 2 d C0 d0 d d0 0 0
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灵敏度提高一倍 非线性减小
(2) 变面积型电容传感器
变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特 别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径 向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其 中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为
第4章 电容式传感器
图为IBM ThinkpadT4 2/T43 的指纹识 别传感器
指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也 被称为第二代指纹识别系统。 下图为指纹经过处理后的成像图：
电容式指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
电容式指纹识别传感器
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。
传感器与测试技术课件电容传感器
2 电容传感器原理
电容传感器利用周围 介质与感测电极之间 的电容变化来检测目 标物理量信息，实现 非接触式测量。
3 电容传感器的组成
电容传感器由感测电 极、信号放大器、信 号处理器和输出设备 等部分组成。
电容传感器的分类
接近传感器
接近传感器是电容传感器应用最广泛的一种， 它通常用于检测目标物体的靠近程度。
传感器与测试技术课件电 容传感器
电容传感器是一种常用的非接触式传感器，具有高精度、高灵敏度、易于集 成化等特点，在智能家居、汽车、医疗等领域有着广泛应用。在本课件中， 将讲解电容传感器的基本原理、应用、制作与维护等多个方面。
电容传感器的基本原理
1 电容概念
电容是电学中的基本 量之一，它反映了电 介质介电常数和导体 间距离对电荷存储能 力的影响。单位为法 拉(F)。
案例 数据采集系统
秤重传感器 印刷检测设备 机器人导航系统
应用领域 化工
包装 印刷 自动化生产线
描述
利用电容传感器进行流量、 压力和液位等数据采集， 提高了流程控制精度。
利用电容传感器进行秤重 传感，可以保证包装的准 确性和一致性。
通过电容传感器检测纸张 的位置和状态，实现了高 精度的印刷检测。
利用电容传感器检测机器 人所在位置和姿态，实现 了高精度的导航和控制。
1 相对介电常数
相对介电常数反映了介质对电场的响应能力，介质的介电常数越大，电容值越大。
2 质量因数
质量因数是传感器振荡系统的重要参数，它直接影响了传感器的稳定性、精度和响应速 度。
电容传感器的电路模型与信号处理
1
电路模型
电路模型反映了电容传感器的动态特性，通过电路模型可以分析信号处理和校准 的方法。
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第4章
4.2电容式传感器
4.2 电容式传感器
4.2.1 基本工作原理
将被测量的变化转换为电容量变化的传感器。 平行极板电容器的电容量为：
C S 0r S
dd
S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电常数； d——两平行极板间的距离，单位为m； ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr ≈1。
C
r
O A
-1（do
r
d）
CO (1 n d
do
)
代入式3 - 2 - 6，UO
U（E 1
n
d ） do
n是绝缘材料厚度与介质决定的常数。
U0
U E
C0 Cx
3-2-6(P46)
P185
电容式金属板材厚度测控原理
• 应用在轧制金属板材生产上，实时显示金属板材厚度，同时 调节轧辊压力，使板材厚度控制在一定误差范围内。
• 由交流电桥（变压器电桥）测量板材厚度引起的电容变化。
Q
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 （2）结构简单，适应性强 （3） 动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要 的作用能量极小，动态响应时间短，特别适合动态测 量。
2.电容式传感器的缺点：输出阻抗高，负载能力差。
c1 c1
c2 c2
u0
E 2
d d0
输出电压与被测位移成线性关系
• ４、３电容式传感器应用
电容式压差传感器 电容式加速度传感器 电容式荷重传感器 电容式应变传感器 电容式厚度传感器 电容式位移传感器
• 应用
电容式厚度传感器
P184
• 适合测量绝缘板 材的厚度
C
O A
d d
/
r
,当d
do
d时
作业
• 1、根据参数变化，电容式传感器有哪些类 型？简述各种类型电容式传感器的工作原 理。
• 2、某电容测微器，其传感器的圆形极板半 径为4mm，工作初始间距为0.3mm，介电 常数ε=8.85*10-12 F/m,工作时，若传感器 的下极板上移1μm，求：
（1）移动前初始电容量是多少？ （2）移动后电容的变化量多少？
H
ε
L
(2) 电极间有液体时电容：
C
2 0(L H ) ln(R / r )
2 H ln(R /
r)
C1
C2
C
C0
2( 0 )H ln(R / r )
液位传感器的等效电路
适用于非导电液体的液位测量
4.2.3等效电路分析
• L是电容器本身电感 和引线电感，Rs是引线 电阻，Rp是电容器并联 损耗电阻。
• 2.电容极板间有二种介质，二种介质的厚度或位置变化，如电 容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式液位传感器等。
初始时：
C1 C2 C0
lb 2d
( 0
0r )
C1 C2 1 r 2l C1 C2 1 r l
电容式液位传感器
2R
P174
2r
(1) 电极间无液体时电容：
ε0
C0
2 0L ln(R / r )
(a)图
C
S d 0 d
1
C0
d d0
C0
S d0
(b)图
C1
C0
1
d d0
C2
C0
1
d d0
C1 C2 C1 C2
d d0
应用：如P40差动脉冲调宽法
2. 变面积型电容传感器
直线位移式结构
C0
bl0
d
C
b(l0
d
l)
C0 (1
l l0
)
C
C0 C
C0
l l0
直线位移型电容传感器具有
等效电路参数决定谐振频率， 传感器工作时要求
低于谐振频率才能正常工作。
1
jC e
1
jC
jL或C e
C 1 2LC
Ce:实际有效电容
4.2.4 接口电路选择
(1)变极距型电容传感器
Cx
C0
1
d d0
U0
U E(1
d ) d0
U0
U E
C0 Cx
P46 (3-2-6)
(2)变面积型电容传感器，
Cx
C 0(1
l ) l0
U0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U E(1
l ) l0
U0
U E
Cx C0
(3-2-7)
差动式变极距型电容传感器
C1 C2 C1 C2
d d0
图3-2-6 (P46)
U0
UE
C1 C1
C2 C2
UE
d d0
２. 电桥电路 (变压器电桥组成半差动等臂电桥)
图3-1-6 (P43)
u0
E
2
线性输出特性。
2. 变面积型电容传感器 角位移变面积型
角位移式变面积型
C0
(R 2 r 2 )0 2d
C1
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C2
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C1 C2 C1 C2
0
3. 变介质型传感器
• 1.介质的介电常数随被测量(如温度、湿度)变化，如电容式温 度传感器、电容式湿度传感器等；
4.2 电容式传感器
若极板间有多种绝缘介质，电容量为：
C
d1
d2
S ... d n
1 2
n
对于同轴圆筒形电容，电容量为：
C
2 L ln(R / r )
2R 2r
L
电容式传感器按被测量所改变的电容器的参数 分类：变间隙型、变面积型、变介质型。
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
输出特性
• 一、变极距型
4.2电容式传感器
4.2 电容式传感器
4.2.1 基本工作原理
将被测量的变化转换为电容量变化的传感器。 平行极板电容器的电容量为：
C S 0r S
dd
S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电常数； d——两平行极板间的距离，单位为m； ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr ≈1。
C
r
O A
-1（do
r
d）
CO (1 n d
do
)
代入式3 - 2 - 6，UO
U（E 1
n
d ） do
n是绝缘材料厚度与介质决定的常数。
U0
U E
C0 Cx
3-2-6(P46)
P185
电容式金属板材厚度测控原理
• 应用在轧制金属板材生产上，实时显示金属板材厚度，同时 调节轧辊压力，使板材厚度控制在一定误差范围内。
• 由交流电桥（变压器电桥）测量板材厚度引起的电容变化。
Q
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 （2）结构简单，适应性强 （3） 动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要 的作用能量极小，动态响应时间短，特别适合动态测 量。
2.电容式传感器的缺点：输出阻抗高，负载能力差。
c1 c1
c2 c2
u0
E 2
d d0
输出电压与被测位移成线性关系
• ４、３电容式传感器应用
电容式压差传感器 电容式加速度传感器 电容式荷重传感器 电容式应变传感器 电容式厚度传感器 电容式位移传感器
• 应用
电容式厚度传感器
P184
• 适合测量绝缘板 材的厚度
C
O A
d d
/
r
,当d
do
d时
作业
• 1、根据参数变化，电容式传感器有哪些类 型？简述各种类型电容式传感器的工作原 理。
• 2、某电容测微器，其传感器的圆形极板半 径为4mm，工作初始间距为0.3mm，介电 常数ε=8.85*10-12 F/m,工作时，若传感器 的下极板上移1μm，求：
（1）移动前初始电容量是多少？ （2）移动后电容的变化量多少？
H
ε
L
(2) 电极间有液体时电容：
C
2 0(L H ) ln(R / r )
2 H ln(R /
r)
C1
C2
C
C0
2( 0 )H ln(R / r )
液位传感器的等效电路
适用于非导电液体的液位测量
4.2.3等效电路分析
• L是电容器本身电感 和引线电感，Rs是引线 电阻，Rp是电容器并联 损耗电阻。
• 2.电容极板间有二种介质，二种介质的厚度或位置变化，如电 容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式液位传感器等。
初始时：
C1 C2 C0
lb 2d
( 0
0r )
C1 C2 1 r 2l C1 C2 1 r l
电容式液位传感器
2R
P174
2r
(1) 电极间无液体时电容：
ε0
C0
2 0L ln(R / r )
(a)图
C
S d 0 d
1
C0
d d0
C0
S d0
(b)图
C1
C0
1
d d0
C2
C0
1
d d0
C1 C2 C1 C2
d d0
应用：如P40差动脉冲调宽法
2. 变面积型电容传感器
直线位移式结构
C0
bl0
d
C
b(l0
d
l)
C0 (1
l l0
)
C
C0 C
C0
l l0
直线位移型电容传感器具有
等效电路参数决定谐振频率， 传感器工作时要求
低于谐振频率才能正常工作。
1
jC e
1
jC
jL或C e
C 1 2LC
Ce:实际有效电容
4.2.4 接口电路选择
(1)变极距型电容传感器
Cx
C0
1
d d0
U0
U E(1
d ) d0
U0
U E
C0 Cx
P46 (3-2-6)
(2)变面积型电容传感器，
Cx
C 0(1
l ) l0
U0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
U E(1
l ) l0
U0
U E
Cx C0
(3-2-7)
差动式变极距型电容传感器
C1 C2 C1 C2
d d0
图3-2-6 (P46)
U0
UE
C1 C1
C2 C2
UE
d d0
２. 电桥电路 (变压器电桥组成半差动等臂电桥)
图3-1-6 (P43)
u0
E
2
线性输出特性。
2. 变面积型电容传感器 角位移变面积型
角位移式变面积型
C0
(R 2 r 2 )0 2d
C1
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C2
(R 2
r 2 )(0 2d
)
C 0(1
) 0
C1 C2 C1 C2
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3. 变介质型传感器
• 1.介质的介电常数随被测量(如温度、湿度)变化，如电容式温 度传感器、电容式湿度传感器等；
4.2 电容式传感器
若极板间有多种绝缘介质，电容量为：
C
d1
d2
S ... d n
1 2
n
对于同轴圆筒形电容，电容量为：
C
2 L ln(R / r )
2R 2r
L
电容式传感器按被测量所改变的电容器的参数 分类：变间隙型、变面积型、变介质型。
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
输出特性
• 一、变极距型