传感器与检测技术 第四章
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第4章 电容式传感器
4.1传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例 本章要点
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4.1 电容式传感器的工作原理及类型
电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化 转换成电容量变化的--种传感器。 一、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器， 如果不考虑其边缘效应，其电容为 ε S ε rε 0 S C d d 式中 ε -- 两个极板间介质的介电常数； ε r -- 介质的相对介电常数； ε 0 -- 真空介电常数（ε 0 =8.85×10-12F/m）； s -- 两个极板相对有效面积； d -- 两个极板间的距离
4.3.2
电容式传感器的等效电路
图4-4 电容式传感器的等效电路 对高频有：
Ce
C 1 LC
2
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4.4 电容传感器的设计要点
一、保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减 小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性 能。 二、消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。
电容式传声器（Microphone）
电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经 过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大 小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜 片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之 变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的 电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。
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• 对于变极距型电容传感器，为在比较大的范围内使用
此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离 d0 ，以 保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点， 同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰 作用将增加。
• 变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具 有很好的线性。但实际上由于边缘效应的影响仍存在 非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
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一、调制型电路
图4-10 调频电路
1 f0 Δ f 2π LC0 Δ C
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电路特点：
1. 灵敏度高，可测0.01pf的变化量； 2. 抗干扰性强；
3. 特性稳定；
4. 能取得高电平的直流信号（V级）；
5. f受温度和电缆电容影响大
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•调幅电路
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（2）指纹识别 指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由 若干个电容传感器组成。 当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电 极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面 电容阵列的各个电容电压不同； 通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹 图像，从而达到辨别指纹的目的。
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特点
优点：结构简单、适应性强；动态响应好；分
辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、
具有平均效应。
不足：输出阻抗高，负载能力差等。
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图4-19 差动式电容压力传感器
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图4-21 电容式加速度传感器结构示意 图
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非导电介质
2 0 (h x) 21 x C ln(R / r ) ln(R / r )
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•
变压器电桥
（a）单臂接法
（b）差动接法
电路特点： 1. 电路简单；
2. 电桥输出调幅波，故要求电源电压波动 小，需稳幅、稳频；
3. 调整复杂，不方便； 4. 输出阻抗高，输出电压低，需接高放大 倍数处理电路
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运算放大器电路
Uo
1/( j C x ) C U U 1/( j C ) Cx
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图4-1 变极距型电容传感器结构原理
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图4-2 变面积型电容传感器结构原理图
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图4-3 变介电常数型电容传感器结构原理图
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4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变极距型 变面积型
变介电常数型
为提高灵敏度，通常各种结构的电容传 感器多采用差动形式。
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（a）棒式探极 （b）同轴探极 （c）缆式探极 图4-24 几类常见的电容式液位传感器
油箱液位检测
电容式限位仪
该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利 用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改 变的原理进行测量。
以BaSrTiO3为主的陶瓷电容
器，其介电常数在温度超过居里 点之后，会随着温度的上升成反 比的下降，如图所示。若将这种 电容器与电感组成谐振回路，则 其谐振频率会有规律地随温度变 化。用频率计测出其频率，经过 换算可求得温度。
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4.5 电容式传感器的转换电路
传感器把被测量转换成电路参数C，从而使信号能传输、 放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测 量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路 参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两大类： 调制型 脉冲型(或称为电容充放电器)
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图4-17 各点电压波形图
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4.6 电容式传感器的应用举例 电容传感器可用来测量直线位移、角位移， 振动振幅（测至0.05μm的微小振幅），尤其适 合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、 液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料 的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、 厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用 来作为位置信号发生器。
2 0 h (1 0 ) x ln(R / r ) 2 C0 (1 0 ) x ln(R / r )
电容式液位传感器
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导电介质
传感器极板与被测介质绝缘 容器和液体为一个电极； 插入金属电极为令一个电极； 绝缘套管为中间介质
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由上式可知，改变电容C的方法有三种：
• • •
改变介质的介电常数ε ； 改变形成电容的有效面积S； 改变两个极板间的距离d。 输出均为电容增量Δ C，故构成电容式传感器。
二、类型
• 三种：变极距d(或称变间隙）型、变面积s型和变 介电常数ε 型。 • 形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。
电容式温度传感器
图4-23 电容式振动位移传感器结构示意图
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图4-24 电容式振动位移传感器应用示意图
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接近开关
指纹识别
(a)笔记本指纹识别
(b)指纹识别手机 电容式指纹识别传感器
(c)汽车防盗指纹识别
（1）电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式 键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变 化，以实现信息的转换。
图4-8 运算放大器法电原理图
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• 整体屏蔽法
图4-9 两个整体屏蔽法例子
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四、防止和减小外界干扰
• 屏蔽和接地。
• 增加原始电容值以降低容抗。
• 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感 应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列 时可采用同轴屏蔽线。 • 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体 或宽印刷线。 • 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提 高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。
电容式转速传感器
第4章 本章要点
电容式传感器的工作原理（d、s、ε）
三种类型电容传感器的灵敏度 提高电容传感器性能的相关措施 脉冲型电路（双T型充放电网络和脉冲调 宽型电路）分析 电容式传感器的主要应用
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结束
• 注意传感器的接地和屏蔽。
图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图
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•将传感器与电子线路的前置级（集成化）装在 一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 •采用“驱动电缆”技术（也称“双层屏蔽等位 传输”技术）。
图4-7 “驱动电缆”技术电原理图
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• 采用运算放大器法
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图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图
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三、消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传 感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影 响仪器的精度，必须消除和减小它。
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消除和减小寄生电容可采用如下方法：
• 增加原始电容值可减小寄生电3 电容传感器的等效电路
4.3.1 电容传感器的特点 优点： ① 本身发热小，温度稳定性好；
② 结构简单、适应性强；
③ 介质损失小，动态响应好；
④ 可以实现非接触测量，具有平均效应
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缺点： ① 输出阻抗高，负载能力差； ② 寄生电容影响大； ③ 输出特性非线性
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二、脉冲型电路
脉冲型转换电路的基本原理是利用 电容的充放电。两种性能较好，较常用 的电路为：
双T型充放电网络
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R( R 2 RL ) UO RLUf (C1 C2 ) 2 ( R RL )
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• 脉冲调宽型电路
图4-16 脉冲调宽型电路原理图
4.1传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例 本章要点
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4.1 电容式传感器的工作原理及类型
电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化 转换成电容量变化的--种传感器。 一、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器， 如果不考虑其边缘效应，其电容为 ε S ε rε 0 S C d d 式中 ε -- 两个极板间介质的介电常数； ε r -- 介质的相对介电常数； ε 0 -- 真空介电常数（ε 0 =8.85×10-12F/m）； s -- 两个极板相对有效面积； d -- 两个极板间的距离
4.3.2
电容式传感器的等效电路
图4-4 电容式传感器的等效电路 对高频有：
Ce
C 1 LC
2
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4.4 电容传感器的设计要点
一、保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减 小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性 能。 二、消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。
电容式传声器（Microphone）
电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经 过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大 小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜 片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之 变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的 电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。
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• 对于变极距型电容传感器，为在比较大的范围内使用
此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离 d0 ，以 保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点， 同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰 作用将增加。
• 变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具 有很好的线性。但实际上由于边缘效应的影响仍存在 非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
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一、调制型电路
图4-10 调频电路
1 f0 Δ f 2π LC0 Δ C
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电路特点：
1. 灵敏度高，可测0.01pf的变化量； 2. 抗干扰性强；
3. 特性稳定；
4. 能取得高电平的直流信号（V级）；
5. f受温度和电缆电容影响大
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•调幅电路
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（2）指纹识别 指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由 若干个电容传感器组成。 当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电 极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面 电容阵列的各个电容电压不同； 通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹 图像，从而达到辨别指纹的目的。
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特点
优点：结构简单、适应性强；动态响应好；分
辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、
具有平均效应。
不足：输出阻抗高，负载能力差等。
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图4-19 差动式电容压力传感器
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图4-21 电容式加速度传感器结构示意 图
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非导电介质
2 0 (h x) 21 x C ln(R / r ) ln(R / r )
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•
变压器电桥
（a）单臂接法
（b）差动接法
电路特点： 1. 电路简单；
2. 电桥输出调幅波，故要求电源电压波动 小，需稳幅、稳频；
3. 调整复杂，不方便； 4. 输出阻抗高，输出电压低，需接高放大 倍数处理电路
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运算放大器电路
Uo
1/( j C x ) C U U 1/( j C ) Cx
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图4-1 变极距型电容传感器结构原理
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图4-2 变面积型电容传感器结构原理图
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图4-3 变介电常数型电容传感器结构原理图
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4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变极距型 变面积型
变介电常数型
为提高灵敏度，通常各种结构的电容传 感器多采用差动形式。
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（a）棒式探极 （b）同轴探极 （c）缆式探极 图4-24 几类常见的电容式液位传感器
油箱液位检测
电容式限位仪
该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利 用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改 变的原理进行测量。
以BaSrTiO3为主的陶瓷电容
器，其介电常数在温度超过居里 点之后，会随着温度的上升成反 比的下降，如图所示。若将这种 电容器与电感组成谐振回路，则 其谐振频率会有规律地随温度变 化。用频率计测出其频率，经过 换算可求得温度。
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4.5 电容式传感器的转换电路
传感器把被测量转换成电路参数C，从而使信号能传输、 放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测 量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路 参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两大类： 调制型 脉冲型(或称为电容充放电器)
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图4-17 各点电压波形图
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4.6 电容式传感器的应用举例 电容传感器可用来测量直线位移、角位移， 振动振幅（测至0.05μm的微小振幅），尤其适 合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、 液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料 的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、 厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用 来作为位置信号发生器。
2 0 h (1 0 ) x ln(R / r ) 2 C0 (1 0 ) x ln(R / r )
电容式液位传感器
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导电介质
传感器极板与被测介质绝缘 容器和液体为一个电极； 插入金属电极为令一个电极； 绝缘套管为中间介质
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由上式可知，改变电容C的方法有三种：
• • •
改变介质的介电常数ε ； 改变形成电容的有效面积S； 改变两个极板间的距离d。 输出均为电容增量Δ C，故构成电容式传感器。
二、类型
• 三种：变极距d(或称变间隙）型、变面积s型和变 介电常数ε 型。 • 形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。
电容式温度传感器
图4-23 电容式振动位移传感器结构示意图
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接近开关
指纹识别
(a)笔记本指纹识别
(b)指纹识别手机 电容式指纹识别传感器
(c)汽车防盗指纹识别
（1）电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式 键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变 化，以实现信息的转换。
图4-8 运算放大器法电原理图
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• 整体屏蔽法
图4-9 两个整体屏蔽法例子
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四、防止和减小外界干扰
• 屏蔽和接地。
• 增加原始电容值以降低容抗。
• 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感 应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列 时可采用同轴屏蔽线。 • 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体 或宽印刷线。 • 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提 高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。
电容式转速传感器
第4章 本章要点
电容式传感器的工作原理（d、s、ε）
三种类型电容传感器的灵敏度 提高电容传感器性能的相关措施 脉冲型电路（双T型充放电网络和脉冲调 宽型电路）分析 电容式传感器的主要应用
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• 注意传感器的接地和屏蔽。
图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图
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•将传感器与电子线路的前置级（集成化）装在 一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 •采用“驱动电缆”技术（也称“双层屏蔽等位 传输”技术）。
图4-7 “驱动电缆”技术电原理图
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• 采用运算放大器法
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图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图
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三、消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传 感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影 响仪器的精度，必须消除和减小它。
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消除和减小寄生电容可采用如下方法：
• 增加原始电容值可减小寄生电3 电容传感器的等效电路
4.3.1 电容传感器的特点 优点： ① 本身发热小，温度稳定性好；
② 结构简单、适应性强；
③ 介质损失小，动态响应好；
④ 可以实现非接触测量，具有平均效应
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缺点： ① 输出阻抗高，负载能力差； ② 寄生电容影响大； ③ 输出特性非线性
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二、脉冲型电路
脉冲型转换电路的基本原理是利用 电容的充放电。两种性能较好，较常用 的电路为：
双T型充放电网络
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R( R 2 RL ) UO RLUf (C1 C2 ) 2 ( R RL )
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• 脉冲调宽型电路
图4-16 脉冲调宽型电路原理图