第三章电容讲义式传感器
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第3章电容式传感器
由图3Z C 7 可( 得R 到S 等1 效 阻R 2 抗R PZ2 C C，2) 即j(1 R 2 P R 2 C 2 C 2L )
P
P
式中2f为激励电源角频率
由于传感器并联电阻RP很大，上式经简化后得等效电容为
等效电容
CE1 C 2LC 1(C f/f)2
式中 f
1
0
为电路谐振. 频率
例如在图3-10(b)中a=1,=0。根据图3-9曲线知:k=0.25, =0， 因此输出电压USC=0.25E；图(c)中当
R 1 时,a1,900 根据图3-9曲线得到k=0.5, =0 jC
USC=0.5E；图3-10(c)和(d)线路形式相同，但是由于(d)图
中采用了差动式电容传感器，故输出电压USC=E ，比图 （c)的输出电压提高了一倍。
对于变极距型， 其静态灵敏度
KCC 0( 1 ) d d 1d/d
因△d/d <<1，上式可按 台劳级数展开而得
KC0[1d(d)2 ] d dd
KC0[1d(d)2 ] d dd
由上式可知，灵敏度与起始极间距d有关，而且不是常数， 是随被测量变化而改变。要提高灵敏度，应减小d,但δ过 小容易引起电容器击穿(空气的击穿电压3kV/mm)。
注意:１．上述各种电桥输出电压是在假设负载阻抗无限 大(即输出端开路)时得到的，
实际上由于负载阻抗的存在而使输出电压偏小。
２.电桥输出为交流信号，不能判断输入传感器信号的极 性，只有将电桥输出信号经交流放大后，再用相敏检波电 路和低通滤波器，才能得到反映输入信号极性的输出信号。
(四)运算法测量电路 它由传感器电容CX和固定电容 C。、以及运算放大器A组成。
④采用“驱动电缆”技 术(也称“双层屏蔽等位 传输”技术)。 见教材P60
第三章 电容式传感器ppt课件
x)
r
式中h——电极高度； R——外电极的内半径； r——内电极的外半径。
所以
C2
2 xx ln RrC 2 (hxx)2 h2 (x)xabx
lnR
lnR lnR
r
r
r
.
a
2 h ln R
r
b 2 ( x ) ln R r
均为常数
上式表明，液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系。
2．电容式测厚仪 图所示为一种电容式测厚仪的原理图。两电极的间距
当被测参数变化引起电容传感器的输出电容变化ΔC时， 电桥失去平衡，其输出电压为
注意一点，在上式的推导过程中，用到了初始平衡 条件C0C2=C1C3。由上式可见输出电压U0与被测电容ΔC 之间是非线性关系。
.
2．差动接法 差动接法交流电桥电路，其
中相邻两臂接入差动结构的电容 传感器。空载时
整理可得
上式表明，差动接法的交流电桥电路的输出电压U0 与被测电容ΔC之间呈线性关系。
号的电压信号，有以下两种常见的形式。 (一)交流电桥电路 1．单臂接法
图所示为单臂接法交 流电桥电路，高频电源经 由变压器，将电源电压Us 加到电桥的一对角上。
C0+ΔC为电容传感器 的输出电容，C1、C2、C3 为固定电容，U0是输出电 压。
.
下面仅讨论空载(即输出端开路)时，输出电压U0与被测 电容ΔC之间的关系。在电容传感器未工作时，先将电桥调 到平衡状态，即C0C2=C1C3，U0=0。
二、变间隙型 1.基本结构
基本的变间隙型电容传感器有一个定极板和一个动极 板，如图所示。当动极板随被测量变化而移动时，两极板 的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量 C。设动极板在初始位置时与定极板的间距为d。，此时的 初始电容量为
高中物理 3.1电容传感器的结构原理
2.角位移型电容式传感器
图3-4右图为角位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引 起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也 就改变了两极板间的电容量C，此时电容值为：
C
S (1
d
)
C0
(1
)
C C C0 C0
３.１电容传感器的结构原理
图。当被测量的变化引起动极板移动距离△x时，覆盖面
积S就发生变化，电容量C也随之改变，其值为：
C
b(a
d
x)
C0
b
d
x
C
C
C0
b
d
x
C0
x a
３.１电容传感器的结构原理
图3-4 变面积型电容传感器原理图
３.１电容传感器的结构原理
说明：
（1）由此可见电容C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关系， 其测量的灵敏度为：
３.１电容传感器的结构原理
当齿形极板的齿数为n，移动△x后，其电容为：
C
nb(a
d
x)
n(C0
b
d
x)
C
C
nC0
nb
d
x
灵敏度为：
K C n b
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。
３.１电容传感器的结构原理
（4）单变隙式电容的非线性误差： | d | 100 %
第3章传感器技术——电容式传感器精品PPT课件
输出电容的变化量ΔC与输入位移Δd之间成非线性关系
当 |Δd/d0|<<1 时可略去高次项，得到近似的线性关系
k c c0 d d0
电容式传感器的灵敏度及非线性变极距型
k c d
c0 d0
（
|Δd/d0|<<1
时）
d 1
d0
一般取：d 0.02~0.1
d0
1.传感器的测量范围由初始距离d0决定
C S d
:极板间介质的介电常数
S :两个极板的相对有效积面 d :两个极板间的距离
变极距型 （变间隙型）
电容式传感器
变面积型
变介电常数型
电极形状：平板形、圆柱形、球平面形
各种结构形式
变极距型
差分式 差分式
各种结构形式
差分式 变面积型
各种结构形式
变介电常数型
常用于测量液体的液位和材料的厚度
d
电容式传感器的灵敏度及非线性变极距型
电容的变化量：当|Δd/d0|<<1时，可按级数展开
ccc0
s s
d0 d d0
..
.
..
.
dd0 1c0( dd0 )1( dd0 )( dd0 )2
(d)3 d0
.
.
...
.
灵敏度k为： k d cd c0 0 1( dd 0)( dd 0)2( dd 0)3... ...
灵敏 k度 C0rb
x d
线性关系
a
d
x S
b
x
测线位移
动极 板 定极 板
测角位移
变面积型电容式传感器
电容式传感器的灵敏度及非线性变介质型
L0 L
第三章电容传感器PPT课件
第22页/共74页
3.2电容传感器的性能改善
电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作 原理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采 取相应的技术措施来改善。
1.静电击穿问题
该问题在3.1节中作过介绍,具体办法就是在电容中
加 容
入 为
介 :
质
,
防
止
静c
电
击穿
dg
,A见
图3
d0
-
3
所
示
说明：
电容C的相对变化△C/C0与角位移也呈线性关系，因此可用来测量角位移
的变化，理论测量范围0-π，但实际由于边缘效应等原因达不到该测量范 围。
3.齿形极板的电容式线性位移传感器 图3-1（j）是一齿形极板的电容式线性位移传感器的原理图。它是
图3-2的一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏 度。
01
d2 2
第20页/共74页
３.１电容传感器的结构原理
则有:
1 1
C
C C0
C0
x a
d1
2 1
d2 2
说明:
(1)变面积介质传感器电容量的相对变化△C/C0与位 移△x呈线性关系。
(2) 该类型传感器可用来测介质厚度,鉴别介质种类或 测量介质位移变化等.
第21页/共74页
３.１电容传感器的结构原理
体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这 种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电 容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定， 从而导致传感器特性的不稳定。
第26页/共74页
3.2电容传感器的性能改善
为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放 置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线， 且屏蔽线外套须同样良好接地，但屏蔽线本身的电容量较大，且由于放置位置和形状不 同而有较大变化，也会造成传感器的灵敏度下降和特性不稳定。目前解决这一问题的有 效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。
3.2电容传感器的性能改善
电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作 原理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采 取相应的技术措施来改善。
1.静电击穿问题
该问题在3.1节中作过介绍,具体办法就是在电容中
加 容
入 为
介 :
质
,
防
止
静c
电
击穿
dg
,A见
图3
d0
-
3
所
示
说明：
电容C的相对变化△C/C0与角位移也呈线性关系，因此可用来测量角位移
的变化，理论测量范围0-π，但实际由于边缘效应等原因达不到该测量范 围。
3.齿形极板的电容式线性位移传感器 图3-1（j）是一齿形极板的电容式线性位移传感器的原理图。它是
图3-2的一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏 度。
01
d2 2
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３.１电容传感器的结构原理
则有:
1 1
C
C C0
C0
x a
d1
2 1
d2 2
说明:
(1)变面积介质传感器电容量的相对变化△C/C0与位 移△x呈线性关系。
(2) 该类型传感器可用来测介质厚度,鉴别介质种类或 测量介质位移变化等.
第21页/共74页
３.１电容传感器的结构原理
体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这 种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电 容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定， 从而导致传感器特性的不稳定。
第26页/共74页
3.2电容传感器的性能改善
为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放 置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线， 且屏蔽线外套须同样良好接地，但屏蔽线本身的电容量较大，且由于放置位置和形状不 同而有较大变化，也会造成传感器的灵敏度下降和特性不稳定。目前解决这一问题的有 效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。
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。
电容传感器(传感器原理与应用)
第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。
由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。
这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。
而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。
多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。
A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r 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另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
因此。
电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。
在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。
若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。
传感器原理及应用第三版第3章
Z2、Z3、Z4…固定值阻抗 E……内阻为零的电源电压 下面讨论输出端开路的情况下，电桥的 电压灵敏度K（均以复数形式表达）。
电桥初始平衡条件为： 则输出:
•上一页
•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
•上一页
•下一页
•返 回
3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
•上一页
•下一页
•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
电桥初始平衡条件为： 则输出:
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•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
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3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
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•下一页
•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
同济传感器与检测技术课件之第3章电容式传感器
16
电子与信息工程学院控制科学与工程系
测量误差的性质-随机误差
服从统计规律的误差称随机误差，简称随差，义你偶 然误差．只要测试系统的灵敏度足够高．在相同条件下， 重复测量某一量时．每次测量的数据或大或小．或正或负 ．不能预知．虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次 测量的总体却服从统汁规律，通过对测量数据的统计处理 ．能在理论上估计其对测量结果的影响。
在相同的条件下多次测量同一量时．误差的 绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，与某 一个或几个因素成函数关系的有规律的误差．称 为系统误差．简称系差．例如仪表的刻度误差和 零位误差，应变片电阻值随温度的变化等都属于 系统误差：它产生的主要原因是仪表制造．安装 或使用方法不正确，世可能是测量人员的一些不 良的读数习惯等， 系统误差是一种有规律的误差，故可以采用修正 值或补偿校正的方法来减小或消除，
绝对误差 相对误差 引用误差 基本误差 附加误差 测量误差的性质 随机误差 系统误差 粗大误差
电子与信息工程学院控制科学与工程系
误差的表示方法（1）
（1）绝对误差
绝对误差可用下式定义:
Δ=x-L 式中: Δ——绝对误差;
x——测量值; L——真值。 采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明 测量质量的好坏。 例如, 在温度测量时, 绝 对误差Δ=1 ℃, 对体温测量来说是不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量 结果。
随机误差是由恨多复杂因素对测量值的综合雕响所造 成的．如电磁场的微变．零件的摩擦．间隙．热起伏，空 气扰动，气压及湿度的变化．测量人员感觉器官的生理变 化等．它不能用修正或采取某种技术措施的办店来消除；
应该指出．在任何一次测量中。系统误差与随机误差
一般都是同时存在的．而且两者之间并不存在绝对的界限
电子与信息工程学院控制科学与工程系
测量误差的性质-随机误差
服从统计规律的误差称随机误差，简称随差，义你偶 然误差．只要测试系统的灵敏度足够高．在相同条件下， 重复测量某一量时．每次测量的数据或大或小．或正或负 ．不能预知．虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次 测量的总体却服从统汁规律，通过对测量数据的统计处理 ．能在理论上估计其对测量结果的影响。
在相同的条件下多次测量同一量时．误差的 绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，与某 一个或几个因素成函数关系的有规律的误差．称 为系统误差．简称系差．例如仪表的刻度误差和 零位误差，应变片电阻值随温度的变化等都属于 系统误差：它产生的主要原因是仪表制造．安装 或使用方法不正确，世可能是测量人员的一些不 良的读数习惯等， 系统误差是一种有规律的误差，故可以采用修正 值或补偿校正的方法来减小或消除，
绝对误差 相对误差 引用误差 基本误差 附加误差 测量误差的性质 随机误差 系统误差 粗大误差
电子与信息工程学院控制科学与工程系
误差的表示方法（1）
（1）绝对误差
绝对误差可用下式定义:
Δ=x-L 式中: Δ——绝对误差;
x——测量值; L——真值。 采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明 测量质量的好坏。 例如, 在温度测量时, 绝 对误差Δ=1 ℃, 对体温测量来说是不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量 结果。
随机误差是由恨多复杂因素对测量值的综合雕响所造 成的．如电磁场的微变．零件的摩擦．间隙．热起伏，空 气扰动，气压及湿度的变化．测量人员感觉器官的生理变 化等．它不能用修正或采取某种技术措施的办店来消除；
应该指出．在任何一次测量中。系统误差与随机误差
一般都是同时存在的．而且两者之间并不存在绝对的界限
第3章 电容式传感器
ε r1 ( L0 − L) + ε r 2 L
d0
当L=0时，传感器的初始电容
C0 =
ε 0 ε r1 L0 b0
d0
=
ε 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 (ε 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
∆d 3 相对非线性误差为： = ( δ ) d0
∆d 2 ∆d ( ) = ( ) × 100% d0 d0
结论：差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍， 结论 而且非线性误差可以减小一个数量级。
3.2 电容式传感器的测量电路
一、等效电路 如图，C为传感器电容，RP 为并联电阻，它包括电极间 直流电阻和气隙中介质损耗 的等效电阻。串联电感L表 示传感器各连线端间的总电 感。串联电阻RS表示引线电 阻、金属接线柱电阻及电容 极板电阻之和。
C max − C min 87.07 pF − 41.46 pF = = 0.19 pF / L K= V 235.6 L
三、变极板间距（d）型
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 。 设动片2未动时极板间距为d0，板间 介质为空气，初始电容为C0，则
d0 d1 ε0 ε1
变ε的电容传感器 ε
ε 0S ε 1S ⋅ 3 . 6π d 0 3 . 6π d 1 C 0 C1 S = C= = ε 0S d1 d 0 ε 1S C 0 + C1 3 . 6π ( + ) + 3 . 6π d 0 3 .6π d 1 ε1 ε 0
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
电容式传感器的应用PPT课件
CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而 C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。
6
1. 电容式差压变送器
3.4 电容式传感器的应用
CA
PL
CL
dx
d0
C0
CL CA CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
即：C0
CACL CA CL
CL
CAC0 CA C0
;
CH
CAC0 CA C0
(1) 半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料,它们依照指纹的外表 地形(凹凸)转化为相应的电子信号,
并进一步产生具有灰度级的指纹 图像。
(3) 硅电容指纹图像传感器
(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊
和远离设备的谷温度的不同就可 以获得指纹图像。
这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵
环形二极管电路
Cx
2 hx
ln D
d
I f E(Cx Cd )
f ECx
ΔE=E2-E1；
f=1/T0，为方波的频率；
在方波频率和幅值一定的情况 下，输出电流的变化与液位成 正比。
3.4 电容式传感器的应用
d
ε0
hx
ε
D
测定电极 绝缘层 水
E2
E1
T1 T2
A e
V D4
V
D1
Cx B
V
D2
i1
电容C与液位h1之间呈线性关系. 15
3. 电容式液位计
3.4 电容式传感器的应用
(1)安装形式
电容式液位计的安装形式因被
6
1. 电容式差压变送器
3.4 电容式传感器的应用
CA
PL
CL
dx
d0
C0
CL CA CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
即：C0
CACL CA CL
CL
CAC0 CA C0
;
CH
CAC0 CA C0
(1) 半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料,它们依照指纹的外表 地形(凹凸)转化为相应的电子信号,
并进一步产生具有灰度级的指纹 图像。
(3) 硅电容指纹图像传感器
(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊
和远离设备的谷温度的不同就可 以获得指纹图像。
这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵
环形二极管电路
Cx
2 hx
ln D
d
I f E(Cx Cd )
f ECx
ΔE=E2-E1；
f=1/T0，为方波的频率；
在方波频率和幅值一定的情况 下，输出电流的变化与液位成 正比。
3.4 电容式传感器的应用
d
ε0
hx
ε
D
测定电极 绝缘层 水
E2
E1
T1 T2
A e
V D4
V
D1
Cx B
V
D2
i1
电容C与液位h1之间呈线性关系. 15
3. 电容式液位计
3.4 电容式传感器的应用
(1)安装形式
电容式液位计的安装形式因被
3电容传感器 PPT课件
L－本身的电感和外部
引线电感组成。
这是典型的RLC电路，具有谐振频率，通常为几十兆赫， 当工作频率等于或接近于谐振频率时，谐振频率破坏了电
容的正常工作，所以工作频率应选低于谐振频率，否则电
容传感器不能正常工作。
CE CE
C C 1 w2LC
结论：1、电容传感器有效电容的相对变换量与w、L有关 2、实际使用时必须与标定条件相同，电源频率、导线 长度必须与标定值相同。
(d )图，采用差动式电容传感器
1
1
U sc
wC 1 wC
R
wC 1 wC
R
E
(c)图
1
1
U
' sc
wC 1 wC
R
wC 1 wC
R
E
U sc
2U
' sc
Usc
E
2、二极管环形检波电路
2
d d0
3
]
考虑线性项与二次项 C ＝ d（1 d ）
C0 d0
d0
拟合直线（线性）： d d0
2
实际校准曲线：
d d0
则传感器的相对非线性误差
d
＝
d0 2
100%
d
100%
d d0
d0
由前 而
K d0
，d0
2
三、变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两
极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。
A
d
r
变极距型电容式传感器
引线电感组成。
这是典型的RLC电路，具有谐振频率，通常为几十兆赫， 当工作频率等于或接近于谐振频率时，谐振频率破坏了电
容的正常工作，所以工作频率应选低于谐振频率，否则电
容传感器不能正常工作。
CE CE
C C 1 w2LC
结论：1、电容传感器有效电容的相对变换量与w、L有关 2、实际使用时必须与标定条件相同，电源频率、导线 长度必须与标定值相同。
(d )图，采用差动式电容传感器
1
1
U sc
wC 1 wC
R
wC 1 wC
R
E
(c)图
1
1
U
' sc
wC 1 wC
R
wC 1 wC
R
E
U sc
2U
' sc
Usc
E
2、二极管环形检波电路
2
d d0
3
]
考虑线性项与二次项 C ＝ d（1 d ）
C0 d0
d0
拟合直线（线性）： d d0
2
实际校准曲线：
d d0
则传感器的相对非线性误差
d
＝
d0 2
100%
d
100%
d d0
d0
由前 而
K d0
，d0
2
三、变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两
极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。
A
d
r
变极距型电容式传感器
第3章-电容式传感器
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。在零点位臵上设臵一个可动的接 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 C1 d 0 d d 0 1 d d0
d ) d0 A A C1 d d 2 （3—3） d 0 d d (1 ) d 0 (1 2 ) 0 d0 d0
A(1
d 2 当 d d0 时， 1 d 2 1 ，则式（3—3）可以简化为： 0 d
A(1
C1 d0 ) d0 C0 C0 d d0
（3—4）
C
C1
C2
0
d1
d2
d
图3-2 电容量与极板距离的关系 由图3—2可以看出，当 d 0 较小时，对于同样的 d变化所引起的电容变化量 C可以增大，从而使传感 器的灵敏度提高；
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某 些外界因素(例如电源电压、环境温度、分布电容等) 对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原 理如图3—4所示。
差动电容式传感器的相对非线性误差为：
C C C d （ ） （ ） 2 C0 实际 C0 线性 C0 d0 d 2 d 4 d 2 r ( ) ( ) ... ( ) C d d0 d0 d0 （ ） 2 C0 线性 d0
灵敏度
若略去高次项，则 C 与 C0
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。
第三章 电容式传感器 第四节电容式传感器应用举例
频率变换型电容测厚传感器
二、电容式压 力传感器
这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速 度快(约100ms)、能测微小压差(0～0.75Pa)。 它是由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片 组成。两玻璃圆盘上的凹面其上各镀金属材料 作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两 凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形
成传感器的两个差动电容C1、C2。当两边压力p1、 p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容 间距相等，因此两个电容相等；当p1＞p2时，膜 片弯向p2，那么两个差动电容一个增大、一个减
小，且变化量大小相同；当压差反向时，差动 电容变化量也反向。这种差压传感器也可以用 来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片 的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。
第三章 电容式传感器 第四节 电容式传感器应用举例
一、电容式测厚仪
1、运算型电容测厚传感器
在被测材的上下两侧各放置一块面积相等、与带 材距离相等的极板，极板与带材构成两个电容C1和C2。 把两块极板用导线连成一个电极，带材是电容的另一 电极，其总电容为Cx= C1 + C2 。
电容Cx与固定电容C0、变压器的次级L1和L2构成电 桥。 板材厚度变化时，Cx也变化。变化量耦合给运放， 再经整流滤波放大输出。同时由反馈回路将偏差信号
三. 电容式加速度传感器
四、电容式指纹传感器
• 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。 它的优点是体积小、 成本低，成像精度 高，而且耗电量很 小，因此非常适合 在消费类电子产品 中使用。
• 右图为指纹经过处 理后的成像图：
• 指纹识别所需电容 传感器包含一个大 约有数万个金属导 体的阵列，其外面 是一层绝缘的表面， 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。
二、电容式压 力传感器
这种传感器结构简单、灵敏度高、响应速 度快(约100ms)、能测微小压差(0～0.75Pa)。 它是由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片 组成。两玻璃圆盘上的凹面其上各镀金属材料 作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两 凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形
成传感器的两个差动电容C1、C2。当两边压力p1、 p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容 间距相等，因此两个电容相等；当p1＞p2时，膜 片弯向p2，那么两个差动电容一个增大、一个减
小，且变化量大小相同；当压差反向时，差动 电容变化量也反向。这种差压传感器也可以用 来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片 的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。
第三章 电容式传感器 第四节 电容式传感器应用举例
一、电容式测厚仪
1、运算型电容测厚传感器
在被测材的上下两侧各放置一块面积相等、与带 材距离相等的极板，极板与带材构成两个电容C1和C2。 把两块极板用导线连成一个电极，带材是电容的另一 电极，其总电容为Cx= C1 + C2 。
电容Cx与固定电容C0、变压器的次级L1和L2构成电 桥。 板材厚度变化时，Cx也变化。变化量耦合给运放， 再经整流滤波放大输出。同时由反馈回路将偏差信号
三. 电容式加速度传感器
四、电容式指纹传感器
• 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。 它的优点是体积小、 成本低，成像精度 高，而且耗电量很 小，因此非常适合 在消费类电子产品 中使用。
• 右图为指纹经过处 理后的成像图：
• 指纹识别所需电容 传感器包含一个大 约有数万个金属导 体的阵列，其外面 是一层绝缘的表面， 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。
电容式传感器PPT课件
剂固定两个截面为T型的绝缘体，
保持其平行并留有一定间隙，在
相对面粘贴铜箔，从而形成一排平板电容。当园孔受荷重变形时，
电容值将改变，在电路上各电容并联，总电容增量将正比于被测
平均荷重F。
4、电容湿度传感器
右图是利用多孔氧化铝吸湿的电容 式湿度传感器示意图。以铝棒和能渗 透水的黄金膜为极板，极板间充以氧 化铝微孔介质。多孔性氧化铝可从含 有水分的气体中吸收水蒸气或从含水 液体介质中吸收水分，吸水以后，介 电常数发生变化，电容量随之改变。
2、电容加速度传感器
微加工三轴加速度传感器 硅微加工加速度传感器
加速度传感器在汽车中的应用 装有传感 器的假人
气囊
加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。 当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断 发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅 速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
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
x d
Cx
b
d
x
显然b d
K
2>角位移型传感器
扇型有效面积:
d
S 1 R2
2
所以,
Cx
R 2
2d
Cx
R 2
2d
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灵敏度为： 非线性误差为：
K 2 C0 d0
2
d d0
100%
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。但它们的结论都是忽略了 边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非 线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
二、电容式传感器的测量电路
调制型电路分为：调频电路和调幅电路； 1．交流激励法，2. 交流电桥电路
3、变间距型（常用形式）
当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：
S
C d0
d
C0
C
灵敏度K为
K C dC d0 0 1 dd 0 dd 0 2 dd 0 3
非线性误差为：
d d0
100%
常采用差动式电容传感器，此时电容传感器 输出为：
CC 1C 22C 0 dd 0 dd 0 2 dd 0 3
1．温度的影响 从选材、结构、加工工艺等方面可以有效的减小温度误差， 同时保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
2．边缘效应及其消除
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。消除边缘效应的方法：
·增加原始电容值 ·加装等位环 3．寄生与分布电容的影响及消除
寄生电容是电容极板与周围物体产生的电容。它改变电容 传感器的电容量且本身极不稳定，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。
• 根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三 种基本类型，即变极距(或称变间隙)型、变面积 型和变介电常数型。
1、变面积型：
变面积型传感器是线性的。增大初始电容C0 可以提高灵敏度K，这种传感器主要用于位移等参 数的测量。
2、变介电常数型：
变介电常数型传感器是线性的。增大初始电 容C0 可以提高灵敏度K，这种传感器主要用于物 位测量、介电常数测量和测厚仪。
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容的影响。 ·注意传感器的接地和屏蔽。 ·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"驱动电线"技术(也称"双层屏蔽等位传输"技
术)。 ·采用运算放大器法 ·整体屏蔽法。防止和减小外界干扰
四、电容传感器的应用
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，脉冲调调制电路
令 R1 R2 ，则电路输出为：
U
Cx1 Cx1
Cx2 Cx2
U1
为触发器输出高电平，当电容为变间距
电容传感器时，
U
d0 d0
U
1
三、误差分析
THANKS
精品
第三章电容式传感器
一、电容式传感器的工作原理 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：
CS 0rS
dd
• 改变电容C的方法有三种：其一为改变介质的介电 常数ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三 为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出 为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。