第五章电容式传感器 PPT课件1

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电容式传感器的工作原理和结构课件

精度和稳定性
提高传感器的精度和稳定性是当前面临的主要技术挑战，通过材料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可能存在交叉敏感问题，采用特殊的结构设计或信号处理方法可降低交叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产生影响，通过温度补偿技术可有效减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能够检测微小的变化，因此适用于精确测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度，灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响。
线性范围
01
线性范围是指传感器输出电容变化量与输入变化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器输出信号与输入信号成正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响传感器的输出质量和应用范围。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传感器的长期稳定性和可靠性有重

电容式传感器的工作原理和结构.

由式（5 - 10）可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。
变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张 #, 绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图 5 - 7 是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中, 从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为
小, 容易引起电容器击穿或短路。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(如图 5- 3所示), 此时电容C
c
A dg
0 g

0
d0
（5 - 5）
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。
c
A
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。
当被测参数变化使得式（5 - 1）中的A#,d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变 , 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 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。
第5章电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3 电容式传感器的测量电路
5.４电容式传感器的应用
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第5章电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构

第5章硅电容式微传感器

⑪平铺叉指型
图5-11 平铺叉指结构
⑫三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设
计与系统电子线路设计两大部分。对于一个机电混合系统来讲，这两部分的设计是密不可分的，任何孤立的单方开发都无助于整个系统的最终形成。
5.2.1 硅微加速度传感器设计
5.3 典型接口电路
几乎所有用ห้องสมุดไป่ตู้测量电容式传感器的电路
是基于电容差值的测量方法，这是因为被测量的电容值通常是在几个10-18Ｆ到几百个10-12Ｆ范围内，而采用电容差值的测量方法恰好可以满足这个测量范围的要求。
5.3.1 CAV系列接口电路
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
第5章硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于
金属和非金属之间。平板电容器的公式：
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器
有微型硅加速度计、硅集成压力传感器和CMOS集成电容湿度传感器。
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速
提高硅压力传感器可靠性的措施
通常有： ①在一定的功能下，其设计方案愈减愈好，器件数量愈少愈好； ②对器件实行减额使用，减轻其负荷量等。
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
5.3.3 MS3110接口电路
MS3110采用调制解调的电容检测方法
。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值相同、相位相反的方波信号作为输出电容的载波信号, 实现对电容变化的调制, 调制信号通过电荷积器将电容变化转换为电压变化, 采样保持电路对调制信号进行解调, 经过低通滤波、增益放大就得到与电容差成正比的电压信号。

电容式传感器PPT课件

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，

5第五章电容式传感器1精品PPT课件

5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
电容的总的变化量
C
C1
C2
2C0
[
d d0
( d d0
)3
]
电容的相对变化量 C 2 d [1 ( d )2 ( d )4 ]
C0
d0
d0
d0
电容特征方程忽略高次项得： C 2 d
C0
d0
提问与解答环节
Questions And Answers
d
d0
d0
非性线误性差误δ就差在和2％d～d0 1有0％关之，间如。果也当就d是d0 说0.，02在~ 0d.1产时生，微则小非变线
化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板
式变间距型传感器适用于微小位移的测量
第5章电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d）
第5章电容式传感器 5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）
C1
C0
C
C0
1
1 d
d0
C0[1
d d0
( d )2 d0
]
定极板
C2
C0 [1
d d0
( d d0
)2
]
动极板
C1 d1 C2 d2
定极板
第5章电容式传感器
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
C01ຫໍສະໝຸດ 1 dd0增加的电容量为：
电容的相对变化量:
第5章电容式传感器

电容式传感器教学课件PPT

后,进行补偿。
h
27
第6章电容式传感器
6.2.2运算放大器式电路
图6-10 运算放大器式电路原理图
运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄
漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
U o
C Cx
Ui
Cx
A d
Uo
CUi
A
d
特点：
1.输出电压与极板距离d成正比
2.要求Zi及放大倍数足够大 3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定
ZCx2
U 2
•
•
U 11
1U
jCx2 2
•
＝U Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
2 Cx1 Cx2
h
34
第6章电容式传感器
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
•
• U d Uo
2 d0
（其 Cx1中 d0 A d， Cx2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系转化为位移与输出电压的线性关系。
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器的假人
气囊
h
49
第6章电容式传感器
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。
h
50
第6章电容式传感器
利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹
传感器安装位置
h
51
第6章电容式传感器
6.3电容式传感器的应用（3）
第6章电容式传感器
h
1
第6章电容式传感器

电容式传感器PPT课件

通过测量电路取出两电容器的差值
C＝C1
C2

C0 2
d d0

2
d d0
3

2
d d0
5

C ＝2 C0
d d0

1

d d0
2

d d0
4

C1

C0
1 1－ d
d0
C2

C0
1 1 d
d0
C1＝C0

1

d d0

d d0
2

d d0
3

C2＝C0

1

d d0

d d0
2

d d0
3

较小的d0会提高灵敏度，但过小容易引起击穿或短路，可以极板间加入高介电常数材料，如云母。形成串联电容。
C0＝

0 r
d0
A
＝
0A
d0
Cg＝
0 g
dg
A
g 0
d0 dg
C CgC0
A
Cg C0
dg d0
0 g 0
εg—云母的相对介电常数，为7.
一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。

d d0
6

C 2 d

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。

电容式传感器 PPT讲稿

二、电容式传感器的分类及工作原理
分类：按工作方式分类 1.变极距型电容传感器 2.变面积型电容传感器 3.变介电常数型电容传感器
1 变极距型电容传感器
固定极板A
S
d
C S r0S
dd
保持其中两个参数不
ε
变，仅改变其中一个
活动极板B
参数，就可把该参数
S ——极板相对覆盖面积；
的变化转换为电容量
• 电容传感器将被测量的变化转换成电容的
变化后，还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。
2020/7/11
22
转换电路的组成部分
• 1．交流电桥 • 2．调频电路 • 3．运算放大式电路 • 4．脉冲宽度调制电路 • 5．二极管双T型交流电桥
2020/7/11
23
交流电桥
角位移形式的电容传感器
• 当动极板有一角位移时，两极板的相对面
积A也发生改变，导致两极板间的电容量发
生当变化 0 时
C0
A0
d
当 0 时
C
A0
(1
)
d
C0 (1 )
推导过程
• 电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC A d d
• 变面积式电容传感器的输出是线性的，灵
敏度K是一常数。
结论
• 介质变化型电容传感器的极距、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。
• 主要用来测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。
• 传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液
面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。

电容式传感器ppt课件

V2
V1
u～ C1
R2
R1
RL C2
2）原理分析见下图
图3.2.1 双T电桥电路
14
当V1导通、V2截止时C1充电；反之V1截止、 V2导通时C2充电，由图中可以看出，一路通过R1、 RL，另一路通过R2、RL、V2，这时流过RL的电流为i1。若C1或C2变化时，在负载RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。
当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。反之不为零，且
T1正比于C1，而T2正比于C2，输出电压为
u0

C1 - C2 C1 C2
u1
可见，输出电压与电容变化成线性关系。
19
差动脉冲调度电路
• FF：触发器，负电平输入。即，
A1输出负电平 Q端为低电平（零电平）；Q端高电平 A2输出负电平 Q端为低电平（零电平）；Q端高电平
C

0A
10
11
2）应用举例1：电容式接近开关被测物体感应电极
振荡电路
测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化. 由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。

C0
x a
其灵敏度为
K C b
x d
变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。
4
（2）角位移型
下图是角位移型电容式传感器。
当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，
从而导致电容量的变化，此时电容值为

传感器与检测技术第5章电容式传感器ppt课件

(dg/ε0εg)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20～ 100pF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, 故在微位移测量中应用最广。
二、变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图。
一、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。调频测量电路原理框图如下图 5 - 9 所示。
C2
C1
调频振荡器的振荡频率为
f 1
2 LC
式中：L——振荡回路的电感： C——振荡回路的总电容；
其中，C=C1+C2+Cx。
该电路输出电压较高, 当电源频率为1.3MHz, 电源电压E= 46V时, 电容从-7～+7pF变化, 可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当E幅值较高, 使二极管VD1、VD2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关, 而仅与R1、R2及RL有关, 其值为1～ 100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为 20 μs左右, 故可用来测量高速的机械运动。
式（5 - 31）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈
线性关系。
三、二极管双T型交流电桥
图 5 - 11 所示是二极管双T型交流电桥电路原理图。
其中 e是高频电源, 它提供幅值为E的对称方波, 且R1=R2= R，C1、C2为传感器的两个差动电容。

电容式传感器的工作原理及结构形式课件

新技术
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
05
电容式传感器与其他传感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化，改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板的影响，从而检测加速度的变化。这种传感器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的影响，从而检测温度的变化。这种传感器广泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时，传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化，可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来检测物理量，而电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（如磁场、电流等）。而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化，改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量的变化，实现对物理量的检测。

王介生-2010检测技术-第5章电容式传感器.

ln r ln r
（a）平板状
（b）筒状
C x C0 a C x C0 l

电容改变量与水平位移成线性关系
5.1.1 变面积型电容式传感器

动极板定极板
r2 A 2
r
A A0 (1 )
图6.6 角位移测量的变面积型电容式传感器原理图

图6.7 计算扇形面积的方法
5.1.2 变介质型电容式传感器
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。这种传感器可用来测量物位或液位，测量厚度，也可测量位
移。
D
5.1.2 变介质型电容式传感器
2 0 H C0＝ D ln d
d
ε 1：液体介质的介电常数 ε :空气的介电常数； H :电极板的总长度； d、D：电极板的内、外径；
Z2U U Z2－Z1 U U 0＝－＝ Z1＋Z2 2 Z1＋Z2 2
C1－C2 U U 0＝ C1＋C2 2
5.2.3 运算放大器
Ix
I0
U i
Cx
C0
O
I i
1 1 U i ZC0 I 0 I0 j I0 jwC0 wC0
U o
－K
1 1 U 0 Z Cx I x Ix j Ix jwCx wCx

C d C0 d0 K C C0 1 d d0

单位输入位移所引起的输出电容量变化与 d0 成反比关系
非线性误差
C d ＝ C0 d0

d d d 1 d0 d0 d0
2
非线性误差：

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

电容式传感器教学课件

THANKS
感谢观看
电容式传感器在物联网领域的应用前景
01
02
03
智能家居
用于监测家庭环境参数，如温度、湿度、空气质量等，实现智能家居的自动化控制。
医疗健康
用于监测人体生理参数，如心率、血压、呼吸等，为医疗诊断和治疗提供数据支持。
工业自动化
用于监测工业设备的运行状态和工作参数，提高设备的可靠性和安全性。
。
电容式传感器的制造工艺流程
绝缘层制作
阐述如何制备电容传感器的绝缘层，包括材料选择、涂覆工艺和加工方法。
敏感层制作
阐述如何制备电容传感器的敏感层，包括材料选择、涂覆工艺和热处理方法。
制造工艺流程概述
介绍电容式传感器的制造工艺流程及各环节的主要内容。
电极制作
介绍如何制备电容传感器的电极，包括材料选择、加工方法和焊接工艺。
电容式传感器教学课件
目录
• 电容式传感器概述 • 电容式传感器的设计与制造 • 电容式传感器的性能测试与校准 • 电容式传感器的应用实例 • 电容式传感器的未来发展与挑战
01
电容式传感器概述
电容式传感器的定义与工作原理
定义
电容式传感器是一种利用电容原理检测物理量变化的传感器。
工作原理
通过改变电容器极板间距、面积或介电常数等参数，使得电容值发生变化，从而检测被测量物体的变化。
阶跃响应
测量电容式传感器在阶跃输入下的输出响应，以评估其动态响应速度和稳定性。
动态范围
测量电容式传感器在不同动态范围内的输出响应，以评估其动态测量范围。
电容式传感器的校准方法与步骤
校准前的准备工作
检查电容式传感器的外观、连接线路和电源等是否正常。

第五章 电容式传感器 PPT课件1

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王介生-2010检测技术-第5章电容式传感器.

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