电容式传感器

1、特点： 1）温度稳定性好
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。（固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，

电容式传感器介绍

演讲人
电容式传感器介绍
电容式传感器原理
电容式传感器分类
电容式传感器发展趋势
电容式传感器应用实例
电容式传感器原理
电容式传感器定义
电容式传感器是一种通过检测电容变化来测量物理量的传感器。
电容式传感器主要由两个平行电极板组成，其中一个电极板固定，另一个电极板可以移动。
当被测物体靠近或远离固定电极板时，两个电极板之间的电容会发生变化，从而实现对被测物体的测量。
01
工业自动化：用于检测和控制生产过程中的各种参数
02
消费电子：应用于手机、电脑等电子产品的触摸屏和按键控制
03
汽车电子：用于汽车安全气囊、刹车系统等安全设备的控制
04
医疗设备：用于医疗设备的检测和控制，如心电图仪、血压计等
电容式传感器分类
变极距式电容传感器
工作原理：通过改变两个极板之间的距离来改变电容量
4
谢谢
01
变介质式电容传感器
01
原理：利用介质的介电常数变化来检测目标物
02
应用：广泛应用于液位、压力、流量等测量领域
03
特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快
04
局限性：受介质特性影响较大，需要选择合适的介质材料
电容式传感器应用实例
触摸屏应用
1
智能手机：电容式触摸屏广泛应用于智能手机，实现多点触控操作。
02
集成化：电容式传感器将与其他传感器进行集成，实现多参数测量，提高测量效果。
微型化：电容式传感器将向微型化方向发展，便于安装和使用，降低成本。
04
节能、环保
低功耗设计：降低能耗，提高能源利用率
1
环保材料：使用环保材料，减少对环境的影响

电容式传感器

当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。
0 r1 L0 b0
d0
当L=0时，传感器的初始电容 C 0
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 ( 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
4. 变极距型电容传感器
初始电容 C 0 若极距缩小△d
d ) C0 0 r s d C C 0 C 2 d d d d 1 1 d d C 0 (1
0 r s
d
非线性关系
若△d/d<<1时，则上式可简化为
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10
差动式改善其非线性差动式
1 1 Xc d C S
被测量与d 成线性关系无需满足 d d
3.4 电容式传感器
3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 电容式传感器的工作原理电容式传感器主要性能电容式传感器的特点和设计要点电容式传感器等效电路电容式传感器测量电路电容式传感器的应用容栅式传感器
由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此
1 1 1 LC 1 j L R j L jCe jC jC jC
2
Ce
C 1 2 LC
C C Ce Ce Ce 2 1 LC 1 2 L(C C ) C C C C C Ce Ce 2 2 1 L(C C ) 1 L(C C ) 1 2 LC

电容式传感器

当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
D0
圆柱形电容式线位移传感器
3. 变介电常数型电容传感器 (a) 单组式平板形厚度传感器
C1 δx
C2 C3
C
厚度传感器
厚度传感器的等效电路
设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε , ab 则
容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。
高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。
(2)寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l～2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。
4.4.2 电容式传感器的类型和特性
1. 变极距型电容传感器
C
极板1
△C
δ
C0 极板2
△δ
0
变极距型电容传感器
δ0
δ
C-δ特性曲线
设动片未移动时极板间距为δ0 S 初始电容量为： C 0 0 下极板上移：
S S C C0 0 0 0 0 0 S
4.4 电容式传感器的工作原理及特性
4.4.1 基本工作原理平行极板电容器的电容量为：
S 0 r S C
S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电系数； δ——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。

电容式传感器

电容式传感器与电阻式、电感式传感器相比具有以下优点: ①测量范围大。 ②灵敏度高。 ③动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小，
因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ④机械损失小。电容式传感器电极间相互吸引力十分微小，
又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较高的精度。
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第三节电气火灾消防知识
(3)接触不良引起过热如接头连接不牢或不紧密、动触点压力过小等使接触电阻过大，在接触部位发生过热而引起火灾。
(4)通风散热不良大功率设备缺少通风散热设施或通风散热设施损坏造成过热而引发火灾。
(5)电器使用不当如电炉、电熨斗、电烙铁等未按要求使用，或用后忘记断开电源，引起过热而导致火灾。
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第一节安全用电知识
正确使用绝缘操作用具，应注意以下两点:
(1)绝缘操作用具本身必须具备合格的绝缘性能和机械强度。
(2)只能在和其绝缘性能相适应的电气设备上使用。
2.绝缘防护用具
绝缘防护用具则对可能发生的有关电气伤害起到防护作用。主要用于对泄漏电流、接触电压、跨步电压和其他接近电气设备存在的危险等进行防护。常用的绝缘防护用具有绝缘手套、绝缘靴、绝缘隔板、绝缘垫、绝缘站台等，如图7-3所示。当绝缘防护用具的绝缘强度足以承受设备的运行电压时，才可以用来直接接触运行的电气设备，一般不直接触及带电设备。使用绝缘防护用具时，必须做到使用合格的绝缘用具，并掌握正确的使用方法。
3.变介电常数式电容传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间
插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。

电容式传感器

C
电容量发生变化。
ΔC
o
传感器的输出特性不是线性关系，而是如图所示的双曲线Δ关系。
(a)
(b)
工程上常采用以下两种近似处理方法： C
① 近似线性处理
② 近似非线性处理
ΔC
o
Δ
分析表明，提高传感器的灵
敏度和减小非线性误差是相互矛
1
盾的。在实际应用中，为了解决
这一矛盾，常采用如图所示的差
2
动结构。
12
3
1－被测带材； 2－轧辊； 3－电容极板
传感器与测试技术
1－电镀层（定极板）；
5
1
2－膜片（动极板）；
3－焊接密封圈；
p1
p2
4－隔离膜；5－硅油
4
2
3
2．电容式加速度传感器
加速度传感器均采用弹簧－质量－阻尼系统将被测加速度变换成力或位移量，然后再通过传感器转换成相应的电参量。下图所示为电容式加速度传感器的结构示意图。电容式加速度传感器的频率响应快、量程范围大，阻尼物质采用空气或其他气体。
如图所示。
l
l
ax
x x
hx h
(a)
（a）测量介质厚度
(b)
（b）测量介质位置
d DБайду номын сангаас
(c)
（c）测量介质液位
1.2 电容式传感器的应用
1．电容式压差传感器
下图所示为电容式压差传感器的结构示意图，由一个金属膜片动极板和两个在凹形玻璃圆盘上电镀成的定极板组成。电容式压差传感器的分辨率很高，不仅用来测量压差，也可用来测量真空或微小绝对压力（0~0.75 Pa），响应速度为100 ms。
传感器与测试技术

电容式传感器

传感器技术及应用
电容式传感器
电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱形电容传感器。
可用来测量压力、力、位移、振动、液位、成份含量等。
1.1 平行板电容式传感器工作原理
设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），两极板间的距离为d0（m），极板间介质的介电常数为ε（F/m）。若忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为:
式中：f0为等效电路谐振频率，
f0
2
1 LC
一般当f≤10MHz时，还可忽略L的影响，并且实际使用时，只要使用条件能保证与传感器标定时的接线条件，L可不考虑。
ZC
(RS
RP
)
1 2 RP2C 2
j( RP2C 1 2 RP2C 2
L)
由于传感器的并联电阻Rp很大，串联电阻RS很
小，忽略这两项，则等效阻抗ZC为：
ZC 1 jL jC
因此，电容传感器的等效电容Ce可由下式求得：
1 1 jL jCe jC
Ce
C
1 2LC
1
（
C f
f0 ）2
2.变介质圆柱形电容式传感器（变介电常数型）
当被测液体的液面在同心圆柱形电极间发生变化时，将导致电容的变化。
此时，相当于两个同轴圆柱形电容C0、C1并联：
C
C0
C1
20 (h
ln R2
x)
21x
ln R2
2 0 h
ln R2
2
(1
ln
0
R2
)x
R1
R1
R1
R1
电容式液位计属于该类。输出电容与液面高度呈线性关系。

电容式传感器

汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
电容式接近开关
齐平式
非齐平式
电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示
• 电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。相连接。 • 当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变从而使电容量发生变化，化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。开关的接通或断开。 • 这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以这种接近开关检测的对象，不限于导体，是绝缘的液体或粉状物等。是绝缘的液体或粉状物等。
电容测厚仪结构示意图 l一金属带材 2一电容极板 3一传动轮 4一轧辊
电容式转速传感器
• 电容式转速传感器的工作原理：原理： • 齿轮外沿面为电容器的动极板．极板．当电容器定极板与齿顶相对时，电容量最大，顶相对时，电容量最大，而与齿隙相对电容量最小。而与齿隙相对电容量最小。当齿轮转动时，当齿轮转动时，电容量发生周期性变化．生周期性变化．通过测量电路转换为脉冲信号，电路转换为脉冲信号，设频率计显示为f，频率计显示为，则n=60f/z
电容式转速传感器的结构原理1电容式转速传感器的结构原理一定极板：电容式传感齿轮 2一定极板：3-电容式传感一定极板器 4频率计频率计

第三章电容式传感器

C d 2 C0 d0 非线性误差为： d 3 2 d0 d r 100% 100% d d0 d0
减小
C C0 A 2 2 2 灵敏度： S d d0 d0
提高一倍
18
差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。
弹性体
绝缘材料定极板
极板支架
动极板
36
在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每
个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电
路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小 F
（误差平均效应）
电容式称重传感器
T1 T2 UA U 1 ，U B U1 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —C1和C2充电至Ur的所需时间； U1—触发器输出的高电位。
29
C1、C2的充电时间T1、T2为：
U1 T1 R1C1 ln U1 U r U1 T2 R2C2 ln U1 U r
0 A
dg
g
d0
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于 1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输出特性的线性度得到改善。
12
13
14பைடு நூலகம்
差动电容式传感器
定极板动极板 C1 d1 C2 d2 定极板
15
初始位置时，
3

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

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。

电容式传感器

图5-5 电容式传感器等效电路
L 为引线电感和电容电感之和，是电容式传感器的标定电感。 Rs 包括引线电阻、极
板电阻和金属支架电阻。 Rp 为并联损耗电阻，它代表了极板间的泄漏电阻及介质损耗。
电容式传感器的有效电容 Ce 可以近似表示为
C Ce 1 2LC
式中， 2πf 为电源的角频率（f 为电源频率）。
3．减小外界温度的影响
（1）对结构尺寸的影响。电容式传感器极板间距很小，因此对结构尺寸的变化非常敏感。（2）对介质介电常数的影响。温度对介电常数的影响由于介质不同而不同，空气及云母片的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。
1.5 应用实践——简易液位指示及报警系统设计
图5-12 简易液位指示及报警系统
传感器原理与应用
1.5 应用实践——简易液位指示及报警系统设计
3．实践过程系统采用柱状电容式传感器采集液体的液位。该传感器的介电质随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容的变化。由于电容式传感器的电压变化微弱且存在非线性，所以要通过放大整形电路进行放大和整形。放大整形后的信号通过A/D转换电路后送至单片机。单片机对信号处理后送至显示电路，用于显示液位的高度，当液位达到报警极限时，单片机向报警电路发出报警信号。
1．实践目的
（1）了解电容式传感器的工作原理。（2）能根据系统需求选择合适的电容式传感器。
2．应用描述
液位监测和控制在生产、生活中应用非常广泛，如自动注水系统、恒压供水系统、水文监测系统和油位检测系统等。简易液位指示及报警系统通常采用柱状电容式传感器作为测量器件，结合单片机及其他外围电路设计而成。
（5-10）

电容式传感器

电容的相对变化量为
2 4 d d C d 1 2 C0 d0 d0 d0
略去高次项,近似成线性关系
C 差动电容式传感器的灵敏系数为 K d 2 d 0 C0
结论：灵敏度提高一倍
第3章电容式传感器
3.1 电容式传感器 3.2 电容式传感器的输出电路及等效电路
3.3 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 3.4 电容式传感器的应用
1
基本要求
1. 掌握电容式传感器基本工作原理、类型、线性、灵敏度
2.理解电容式传感器的输出电路及等效电路
3.了解影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 4.掌握电容式传感器的典型应用
C C C
灵敏度为
KC
C / C 0 1 a a
灵敏度系数KC为常数，可见减小极板宽度a可提高灵敏度，而极板的起始覆盖长度b与灵敏度系数KC无关。但b不能太小，必须保证b＞＞d(极距)，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
C C 1 灵敏度 K ——常数 l l
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的电容量Ca增加，下面部分的电容量Cb减少，使输出为差动形式，有
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
13
C 2 d C0 d0
2 4 C d d C d 2 d 1 2 C0 d0 d0 d0 d0 C0

电容式传感器

电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。

电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。

最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

[1]中文名；电容式传感器；外文名capacitive type transducer电容计算公式：εS/d应用：测量简介70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。

当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。

但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。

在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。

测知电信号的大小，可判断被测量的大小。

这就是电容式传感器的基本工作原理。

[2]分类根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。

电容式传感器

上页下页
§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2

Z3 Z4
上页下页
交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
上页
下页
差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2

C2 C0
1 0 0 0
上页下页
另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0

d

0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
上页下页
§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
上页
下页
二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
上页下页
j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j

第4.2章电容式传感器

检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静电电容可由下式表示： k ( s 0 )h
C
式中： k ——比例常数； s ——被测物料的相对介电常数； 0——空气的相对介电常数； D——储罐的内径； d ——测定电极的直径； h ——被测物料的高度。
D ln d
传感器测量电路包括自激多谐振荡器、脉宽调制电路、频率/电压转换器电路F/V和A/D转换器。如下图所示。
电容式传感器的应用
2 差动式电容测厚传感器
3 电容式料位传感器
下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。
图电容式料位传感器结构示意图
电容式传感器
原理：被测非电量转换为电容量的变化
A
δ
介电常数ε 电容式传感器结构图
A C
种类：变极距δ、变面积A、变介质 ε
δ 、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。
变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器
2 3 C0 S C0 C C0 1 0 1 0 0 0
2 d d d [1 ( ) 2 ( ) 4 ...] d0 d0 d0

电容值相对变化量为： C

略去高次项，则：
C0
C d 2 C0 d0
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。
变面积式电容传感器
输入输出特性：
C A 0

平板式
电容变化与电介质的移动量L成线性关系
8
r ( L0 L) r L c c1 c2 0b0 d0 0 ( r 2 r1 ) Lb0 C0 d0

电容式传感器

器 -解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、塑料膜等）。
▪适合于微位移的测量。
进一步分析： 22
电
C
C C0
s 0
s 0
非线性分析：
容
s 0 0
C0
1
/
/
0
0
式传
C C
0
0
1
1
0
感器
C C0
0
1
0
0
2
若： 1 0
略去2次方以上高次项：
( ) 2 2
0
0
式传感
1 2
m
最大绝对误差：
ym
1 4
m
2 0
2
器
最大相对误差为：
2
ef
ym C C F.S
100%
1 4
m 0
m 0
1
m 0
1 4
m 0
100%
26
电
非线性误差：
ef
1 4
m 0
100%
灵敏度：
容
式 k (C C0 ) F .S . 1 (1 m )
式
➢ 容抗大：几十兆欧～几百兆欧
➢ 视在功率小：mW级
传
➢ 信号弱，一般情况需放大
感
➢ 易受环境电磁场和寄生电容的干扰
器
➢ 当工作频率很高时，容抗将减小，视在功率增大。
38
四、静电吸力
电
容原理：克服电场力所做的功与电场能量W的增加
相等。式
传
F d dW
F dW
d
感
对平板电容器的分析计算：
电
被测物理量 , S, C

电容式传感器

A
A
1 A A 1 C0 C2 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
d 若位移量d 很小，且 1 ，上两式可按级数 d0 展开，得:
d d 2 d 3 C1 C0 [1 ( ) ( ) ...] d0 d0 d0
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。
这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
RS 代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板
的电阻。
电感 L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由等效电路可知，等效电路有一个谐振领率，通常为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。
§4.4电容传感器的测量电路
结构形式二
电容传感器分类比较
§2电容式传感器的输出特性
差动电容传感器的结构如图3—4所示( )其输出特性曲线如图 3—5 所示。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为d。当中心电极在机械位移的作用下发生位移 d 时，则传感器电容量分别为
1 1 C0 C1 d 0 d d 0 1 d 1 d d0 d0
具有以下特点：
一、体积小，精度高，重量轻。能在极小的空间里实现多
种功能；
二、性能稳定，可靠性高。由于MEMS器件的体积极小，

第4章电容式传感器

4.1 电
传感器工
结构
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: 板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为:
式中: 式中: d ——电容极板间介质的介电常数 ε 电容极板间介质的介电常数, 其中ε ε——电容极板间介质的介电常数, = ε 0 ε r,其中ε0 为真空介电常数, 为极板间介质相对介电常数; 为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数; ——两平行板所覆盖的面积两平行板所覆盖的面积; A——两平行板所覆盖的面积; ——两平行板之间的距离两平行板之间的距离. d——两平行板之间的距离.
4.1电
传感器工
结构
为防止击穿或短路, 为防止击穿或短路,极板间可采用高介电常数的材料(云母,塑料膜等)作介质. 的材料(云母,塑料膜等)作介质.云母片的相对介电常数是空气的7 相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于 kV/mm,而空气的仅为3kV/mm 3kV/mm. 1000 kV/mm,而空气的仅为3kV/mm.因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小. 了云母片,极板间起始距离可大大减小.同时传感器的输出特性的线性度得到改善. 传感器的输出特性的线性度得到改善. 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20 变极距型电容式传感器的起始电容在20～一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～ pF之间极板间距离在25 200μm的范围内之间, 25～的范围内, 30 pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内, 最大位移应小于间距的1/10 1/10, 最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广. 中应用最广.
式中: 式中: ——空气介电常数空气介电常数; ε ——空气介电常数; ——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C0 ——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即: 2πε H

电容式传感器

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电容式传感器介绍

电容式传感器

电容式传感器

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第三章 电容式传感器

电容式传感器

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第4.2章 电容式传感器

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第4章电容式传感器

第三章电容式传感器

第4.2章电容式传感器