电容式传感器及其应用
电容传感器的原理及应用
电容传感器的原理及应用电容传感器（Capacitive Sensor）是一种利用电容变化来感知和测量物体位置、形状、压力等参数的传感器。
它基于电容的定义，即两个导体之间的介电常数乘以电容公式中电容的基本构成：两个导体之间的距离以及导体间的面积。
本文将介绍电容传感器的原理和其在实际应用中的各种场景。
一、电容传感器的原理基于电容传感器的工作原理是通过改变电容的值来检测和测量目标的物理量，其基本原理可以分为静电式电容传感器和变容式电容传感器两种。
静电式电容传感器是利用物体与传感器之间的静电场来产生电容变化，进而通过测量电容值的改变来获取物体位置、形状、体积等信息。
在静电式电容传感器中，将一个导电板作为传感器的感应电极，当目标物体靠近导电板时，它的存在会改变电极周围的电场分布，从而改变了电容值。
通过测量电容的变化可以计算出物体与传感器之间的距离或者形状等信息。
变容式电容传感器则是利用可变电容器（Varactor）来测量目标物体的参数。
可变电容器是一种能随外界电压变化而改变电容值的器件，它包含有两个金属板（电极）和介电常数可调的绝缘材料。
当外加电压改变时，绝缘材料的介电常数发生变化，从而导致电容值的变化。
通过测量可变电容器的电容值，可以得到目标物体的参数。
二、电容传感器的应用电容传感器广泛应用于许多领域，例如汽车、医疗、机械等。
下面将介绍几个典型的应用案例。
1. 触摸屏电容传感器在触摸屏技术中得到了广泛应用。
触摸屏利用电容变化来感知用户的触摸操作，以实现对显示屏的控制。
当用户触摸屏幕时，手指与传感器之间会形成电容耦合，这种耦合会改变传感电极之间的电容值。
通过测量电容的变化，可以得到用户触摸的位置，从而实现对显示屏的交互操作。
2. 接近开关电容传感器也常被用作接近开关。
传感器可以检测目标物体与传感器之间的距离，当目标物体靠近传感器时，电容值会发生变化，从而触发开关的动作。
这种接近开关广泛应用于自动化控制系统中，例如安全门、自动水龙头等设备。
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用电容式传感器是在工业生产中广泛使用的一种传感器，其原理是利用电容变化来测量被监测物理量的变化。
这种传感器的应用范围非常广泛，从机械振动到压力，从液位到温度，几乎涵盖了所有与工业生产有关的物理量。
1. 传感器的工作原理电容式传感器的工作原理非常简单。
它由两个平行金属板组成，可以是圆形、方形或矩形。
其中一个板作为固定板，另一个则可移动，与被测的对象相接触。
当被测物体发生变化时，移动板与固定板之间的电容量就会发生变化。
电容量的大小与金属板的面积、间距以及介质的介电常数有关。
一般来说，介电常数越大，电容量也越大。
电容的大小可以用下面的公式来计算：C = εA/d其中，C是电容量，A是金属板的面积，d是金属板之间的距离，ε是介电常数。
2. 传感器的应用电容式传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用：（1）机械振动机械振动是许多设备故障的根源。
电容式传感器可以用来检测机械振动的幅度和频率，从而帮助工程师预测设备运行状态。
（2）压力电容式传感器可以用来测量压力的大小。
例如，在液压系统中，传感器可以用来监测液体压力，从而帮助确保系统正常工作。
（3）液位电容式传感器可以用来测量液体的液位。
例如，在油罐中，传感器可以用来监测油位，从而确保油罐中的油量不会过低或过高。
（4）温度电容式传感器可以用来测量物体的温度。
例如，在发动机中，传感器可以用来监测发动机的温度，从而确保发动机不会过热。
3. 传感器的局限性电容式传感器有一些局限性。
首先，它们只适用于测量固体或液体的物理量，而不能用来测量气体的物理量。
其次，它们只能测量电容量的变化，而无法直接测量物理量的大小。
最后，它们需要校准，以确保精度。
4. 结论电容式传感器是一种简单而有效的传感器，适用于测量许多与工业生产有关的物理量。
它的工作原理非常简单，非常适合用来监测机器和设备的状态。
虽然它们有一些局限性，但将它们与其他传感器结合使用可以极大地提高监测系统的准确性和效率。
电容式传感器的应用及原理
电容式传感器的应用及原理1. 电容式传感器简介电容式传感器是一种常见的传感器类型，其原理是根据电容的变化来检测物体的位置、压力、液位等参数。
电容式传感器具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等领域。
2. 电容式传感器的原理电容式传感器的原理基于电容的变化。
电容是指导体之间存在的电场能量，与导体之间的间距和面积有关。
当两个导体之间的间距或面积发生变化时，电容值也会发生变化。
电容式传感器通常由两块金属板组成，它们之间有一层绝缘材料，如空气或塑料。
当外部物体接近或远离传感器时，两个金属板之间的间距会发生变化，从而改变了电容。
传感器通过测量电容的变化来检测物体的位置或其他参数。
3. 电容式传感器的应用3.1 位置检测电容式传感器常用于检测物体的位置。
例如，在工业自动化领域中，可以通过安装电容式传感器来检测机器人手臂的位置，以实现准确定位和控制。
此外，电容式传感器也常用于触摸屏、触摸按钮等电子设备中，用于检测手指或其他物体的位置。
3.2 压力监测电容式传感器还可以应用于压力监测领域。
通过将电容式传感器安装在受压物体上，当受压物体发生变形时，导致电容变化。
通过测量电容的变化，可以推断受压物体的压力大小。
这种应用常见于汽车制动系统、液压系统等领域。
3.3 液位检测电容式传感器还可以用于液位检测。
通过将电容式传感器安装在液体容器中，当液位发生变化时，导致电容变化。
通过测量电容的变化，可以确定液位的高度。
这种应用广泛用于化工厂、油罐、水处理等领域。
3.4 温度测量电容式传感器也可以应用于温度测量。
通过利用温度对电容介质的影响，可以测量温度变化。
这种应用常见于温度计、温度控制器等设备中。
4. 电容式传感器的优点•灵敏度高：电容式传感器对物体的微小变化可以敏感地检测到。
•响应速度快：电容式传感器可以实时检测物体的位置、压力等参数变化。
•可靠性好：电容式传感器具有较高的稳定性和可靠性，适用于长期稳定工作的场合。
《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用
4
两平行板组成的平行板电容器，电容传感 器的基本理想公式为：
C A 0r A
dd
请思考：上式中，哪几个参量是变量？可
以做成哪几种类型的电容传感器？
4/14/2020
5
C A 0r A
dd
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可 使平板电容的电容量C 改变。
固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的 电容传感器。
4/14/2020
8
变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位 移、角位移、尺寸等参量。
你能否画出变面积式电容传感器的输出特性 曲线??
4/14/2020
9
2、变极距（d）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。
成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。
请思考：我们已经学习了哪些差动形式？
4/14/2020
18
休息一下
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19
§4.2 电容式传感器的 测量转换电路
4/14/2020
20
被测非电量
电容式 传感器
转换电路
电容变化
电量
转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、 电流或频率等信号。
电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算 放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。
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16
4、差动电容传感器
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减 小非线性，常常把传感器做成差动形式。
变极距式差 动电容器
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旋转形差 动电容器
圆柱形差 动电容器
电容式传感器原理及其应用
电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。
当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。
1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。
2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。
3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。
4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。
5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。
6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。
7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。
8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。
总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。
其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用1. 原理介绍电容式传感器是一种常见的传感器类型，其原理基于电容的变化来测量所需物理量。
其主要由两个电极组成，当物理量变化时，电极间的电容值也会相应变化。
具体的原理可以分为以下几个方面：1.表面电容式传感器表面电容式传感器是将电容电极直接安装在物体表面的一种传感器。
当物体靠近或接触电极时，会产生电容的变化。
例如，在触摸屏上，当手指接触到屏幕上的电极时，手指与电极之间会形成一个电容。
2.并联电容式传感器并联电容式传感器由两个电容连接在一起并与被测量物体平行放置，形成一个并联电容器。
当物体靠近电容器时，会改变电容的值。
这种传感器常被应用于金属检测。
3.变容电容式传感器变容电容式传感器的电容值与物体的形状或位置相关。
当物体移动或改变形状时，电容的值也会相应变化。
这种传感器常用于测量液位、位移或压力等物理量。
2. 应用领域电容式传感器具有广泛的应用领域，以下是一些常见的应用案例：1.液位检测电容式传感器被广泛用于液位检测领域。
通过将传感器浸泡在液体中，可以测量液位的变化。
这种传感器常被应用于油罐、水箱和化学容器等领域。
2.接近传感电容式传感器在接近传感领域也有重要的应用。
通过检测传感器与目标物体之间的距离，可以实现自动控制和触摸功能。
这种传感器广泛应用于自动门、自动照明和触摸屏等领域。
3.物体计数电容式传感器可以用于物体计数应用中。
通过检测物体与传感器之间的电容变化，可以实现物体的计数和分类。
这种传感器被广泛应用于流水线和自动化生产过程中。
4.温度测量电容式传感器还可以用于温度测量。
通过使用特殊的电容介质，传感器可以测量物体的温度变化。
这种传感器常用于实验室和工业生产中，可以提供精确的温度测量。
总结：电容式传感器利用电容的变化来测量物理量的原理，具有广泛的应用领域，包括液位检测、接近传感、物体计数和温度测量等。
其原理简单，结构紧凑，对于许多应用场景都有很好的适应性。
电容式传感器的原理与应用
电容式传感器的原理与应用电容式传感器是一种常见的传感器，其原理是利用电容的变化来检测所测量的物理量的变化。
本文将介绍电容式传感器的原理、类型以及应用。
一、电容式传感器的原理电容式传感器利用电容变化的原理来检测所测量的物理量的变化。
其基本构造为两个电极之间留有空气或被测介质的电容器。
当电容器的电极间距离变化时，电容值会随之变化，因为电容与电极间距离的平方成反比。
电容式传感器的基本结构包括电极、隔离板、悬浮件和支撑件等组成部分。
其中悬浮件被设计成可弯曲或可振动的形式，当所测量的物理量施加到悬浮件上时，悬浮件会变形或振动，会导致电极之间的距离产生变化，进而改变电容的值。
二、电容式传感器的类型电容式传感器根据其工作原理和应用场景的不同，可分为多种类型，如下：1.振动型电容传感器振动型电容传感器是利用悬浮件或振动片的振动来改变电容值的。
其优点是量程大、精度高，广泛应用于加速度、压力等测量。
例如，加速度传感器中的电容式传感器就属于振动型电容传感器。
2.压电型电容传感器压电型电容传感器利用压电效应来检测物理量。
该传感器常用于测量某些材料的内部应力和变形情况，如岩石、混凝土等。
压电型电容传感器的优点在于测量范围宽、灵敏度高。
3.电流型电容传感器电流型电容传感器是在电容体中加入激励电流，通过检测电容的交流电流来测量物理量。
电流型电容传感器主要用于流量、液位、水位等测量。
其优点在于对介质粘度、温度等影响较小。
三、电容式传感器的应用电容式传感器广泛应用于多种物理量的测量，包括加速度、压力、位移、形变、流量、温度等，下面举几个例子：1.安全气囊电容式传感器常常被用于测量车辆的加速度和碰撞计算，从而触发安全气囊的充气。
2.坐标测量在机器人和自动化控制系统中，电容式传感器可以用于测量工具或物品的精确位置和距离。
医学领域中，电容式传感器也可以用于手术操作的精确定位。
3.液位传感器电容式液位传感器是测量液体或粉状物体液位或介质密度的重要设备。
第7讲 电容式传感器应用
第7讲电容式传感器应用
电容式传感器是一种常见的传感器类型，它能够将物理量转换为电容变化，从而实现
对物理量的测量。
电容式传感器具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，广泛应用于
工业生产、科学研究、医疗保健等领域。
电容式传感器的基本原理是根据电容值与电容板的距离成反比关系，当物理量发生变
化时，电容板的距离也会发生变化，从而导致电容值的变化。
通常，电容式传感器由两个
电容板组成，它们之间夹有一个变化的物理量，如压力、温度、湿度等，当物理量变化时，电容板之间的距离也随之变化。
电容式传感器的应用非常广泛，以下是几个典型的应用案例：
1. 压力传感器
压力传感器是一种应用最广泛的电容式传感器类型。
它通常由一个金属或陶瓷电容片
构成，当外界施加压力时，电容片会发生形变，从而导致电容值的变化。
压力传感器广泛
应用于机械工程、汽车工业、医疗设备等领域，用于测量压力、力、重量等物理量。
湿度传感器也是一种常见的电容式传感器类型。
它通常由两个电容板组成，它们之间
夹有一层吸湿材料。
当空气中的湿度变化时，吸湿材料吸收或释放水分，从而导致电容板
之间的距离变化，进而导致电容值的变化。
湿度传感器广泛应用于气象、农业、建筑等领域，用于测量空气中的湿度和露点温度。
总之，电容式传感器是一种非常优秀的传感器类型，它能够实现对物理量的高精度测量，从而广泛应用于各个领域。
同时，随着科技的不断进步，电容式传感器的性能不断提升，相信在未来的应用中，电容式传感器将会发挥更加重要的作用。
简述电容式传感器工作原理及应用
简述电容式传感器工作原理及应用电容式传感器是一种常见的传感器类型，它通过测量电容的变化来检测目标物体的某种特性或环境参数。
其工作原理基于电容的基本定律，即电容与两个电极之间的距离和介电常数成正比。
因此，当目标物体靠近或远离电容式传感器时，电容的值会发生变化，进而通过电路进行测量和分析。
电容式传感器的工作原理可以简单地描述为：当传感器的电极之间存在一定的电场时，根据电容公式可以得知电容C与电场E之间的关系为C=εA/d，其中C表示电容，ε表示介电常数，A表示电极面积，d表示电容之间的距离。
当目标物体靠近电容式传感器时，目标物体会改变电场的分布，导致电容的值发生变化。
这个变化可以通过电路进行测量和分析，从而得知目标物体的特性或环境参数。
电容式传感器具有多种应用。
以下是几个常见的应用示例：1. 接近传感器：电容式传感器可以用于检测目标物体与传感器之间的距离。
当目标物体靠近传感器时，电容的值会发生变化，从而可以实现对目标物体的接近检测。
这种应用广泛用于自动门、智能家居和机器人等领域。
2. 液位传感器：电容式传感器可以用于测量液体的液位。
通过将传感器的电极部分浸入液体中，液体与电极之间的介质常数会影响电容的值。
通过测量电容的变化，可以得知液体的液位信息。
这种应用常见于化工、石油和食品等行业。
3. 触摸传感器：电容式传感器可以用于触摸屏和触摸按钮等设备中。
当手指接触传感器时，手指与传感器之间的电场会发生变化，导致电容的值发生变化。
通过测量电容的变化，可以实现触摸的检测和定位。
这种应用广泛用于智能手机、平板电脑和汽车导航系统等设备中。
4. 湿度传感器：电容式传感器可以用于测量空气中的湿度。
通过将传感器的电极部分暴露在空气中，空气中的湿度会影响电容的值。
通过测量电容的变化，可以得知空气中的湿度信息。
这种应用常见于气象、农业和室内环境监测等领域。
电容式传感器通过测量电容的变化来检测目标物体的特性或环境参数。
它具有灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于工业、农业、医疗和消费电子等领域。
电容式传感器的应用和发展
电容式传感器的应用和发展
一、电容式传感器及其应用
1、什么是电容式传感器
电容式传感器是一种能够检测被测目标电容值的变化而产生额外的电
路反应的传感器。
它的特点是可以检测到微小的变化，适用于多种检测应用，如温度、湿度、压力、电阻、反应物浓度的测量。
简单的电容式传感
器由两个平板相互垂直放置，当外界目标的电容发生变化时，传感器的输
出电流也会发生变化。
2、电容式传感器的应用
（1）温度、湿度检测：电容式传感器可以应用于温度、湿度的检测，是温湿度检测技术的重要组成部分。
它可以直接检测温度和湿度变化，并
能够迅速反映温度和湿度的变化，采用更安全、可靠、精确的方法进行环
境检测。
（2）电阻、电容测量：电容式传感器可以用来测量低电阻、电容等。
它可以检测目标物体的负载电容、相对湿度、电阻率等参数，从而实现目
标物体的检测。
它具有较高的精度，可以检测准确性，从而对特定测量应
用起到保护作用。
（3）测量气体浓度：电容式传感器可以用来测量气体浓度。
它可以
根据气体的电容和湿度的变化，可以实现精确测量气体浓度。
它比其他技
术具有更高的精度和可靠性，可以提高工业检测效率。
（4）测量液位：电容式液位传感器可以测量液位。
电容式传感器及应用—电容式传感器的工作原理及其结构形式(传感技术课件)
平板形变面积式电容传感器的容量变化
设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板 随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减
小，电容Cx 为
Cx
b(a0
d0
x)
C0
1
x a0
式中C0 — 初始电容值
C0
ba0
d0
在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。
变面积式电容式传感器（角位移）
+ + +
变面积式电容式传感器（线位移）
线位移型电容式传感器分： 平面线位移型和圆柱线位移型两 种。
变面积式电容式传感器（线位移）
对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆 盖长度h变化时2 / r 1)
圆柱线位移型电容式传感器公式推导
由高斯定理可知，两导体间的电场强度E为 E
λ：单位长度电荷绝对值；r≤ l ≤R；
2 0l
E的方向垂直于轴平面沿辐射方向。
两柱形导体间的电位差为
B
R
R
U AB
Edl
A
r
2 0l
dl
2 0
ln
r
在圆柱形电容器每个极板上的总电荷 Q L
由电容定义得圆柱形电容器的电容为
C Q
L
20 L
U AB
r1、r2：电极板的内、外径；
当液面高度不为0时，电容量为：
C
C1
C2
20 (h hx )
ln r2
2 hx
ln r2
2 0 h
ln r2
2 ( 0 )hx
ln r2
r1
电容式传感器原理及其应用
电容式传感器原理及其应用电容式传感器是一种通过测量电容值变化来感知和测量外界物理量的传感器。
其原理是根据电容器的电容量与其间隔距离之间的关系建立的，而间隔距离往往与外界物理量有关。
电容式传感器广泛应用于工业自动化、仪器仪表、医疗设备、环境监测等领域。
电容式传感器的工作原理是利用两个电极之间的电场变化来测量电容值的变化。
当两个电极之间存在介质时，介质的相对介电常数和电容值呈正相关。
因此，外界物理量的变化会引起介质的相对介电常数的变化，从而改变电容值。
通过测量电容值的变化，可以间接测量外界物理量。
1.接近开关：电容式传感器可以用于检测物体的接近与否。
当被检测物体靠近传感器时，会改变电容器的电容值，从而触发开关动作。
2.液位计：电容式传感器可以用于测量液体的液位。
传感器的电容值与液体的电容值成反比，因此可以通过测量电容值的变化来推断液体的液位。
3.温度传感器：电容式温度传感器利用了介质的温度敏感性。
随着温度的变化，介质的相对介电常数会发生变化，从而改变电容器的电容值，可以通过测量电容值的变化来计算温度。
4.气体检测器：电容式传感器可以用于检测空气中的气体浓度。
当气体浓度发生变化时，会改变传感器中的介质的相对介电常数，从而改变电容值。
5.加速度传感器：电容式加速度传感器利用了加速度对介质的挤压效应。
当传感器受到加速度时，会导致介质的挤压变形，从而改变电容值，通过测量电容值的变化可以间接测量加速度。
总之，电容式传感器通过测量电容值的变化来感知和测量外界物理量。
由于其原理简单、灵敏度高、响应速度快等优势，广泛应用于各个领域。
随着科技的发展，电容式传感器的应用领域将会不断扩大。
电容式传感器及应用—电容式传感器测量转换电路(传感技术课件)
调频电路
该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡器谐振
电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变
化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后
即可显示，这种方法称为调频法。
调频-鉴频电路原理图
调频振荡器的振荡频率
f
1
2π LC
运算放大器式测量电路
电容式厚度传感器
电容式测厚仪
C1
C=C1+C2
C2
+
-
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测量的。
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，其结构
示意图如图所示。
电容式荷重传感器
电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致使电容随外加载荷
的变化而变化。
例1
有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径
r=5mm，假设与被测工件的初始间隙d0=0.5mm。已知真空的介
电常数等于8.854×10-12F/m，求：
（1）如果传感器与工件的间隙变化量增大△d=10μm，电容
变化量为多少？
（2）如果测量电路的灵敏度Ku=100mV/pF,则在间隙增大
理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为
C0
uo ui
Cx
采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器的极距d成
正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特性。
C0
uo ui
dd
SA
运算放大器式测量电路
实际中存在的问题及其解决办法
电容式传感器的工作原理及其应用场景
电容式传感器的工作原理及其应用场景电容式传感器，归根结底，就是利用物体表面的电容变化来测量物体的性质和特征。
它能够通过测量电容值的变化来判断被测量物体的位置、距离、形状、质量等一系列信息，是电子技术和自动控制领域的重要组成部分，被广泛应用于各个领域。
一、电容式传感器的工作原理电容，是指由于由正/负电荷在两个导体之间的集中积聚而形成的电能。
电容式传感器就是通过改变电容的大小来测量物体的特征，即利用感应电容的变化来达到测量目的。
电容式传感器的核心部分是电容感应系统，它由两个平行相对的导电板和一个介质层（通常是空气或是其他绝缘材料）组成。
当被测物体靠近电容感应系统时，由于靠近物体的一侧导电板与物体表面相距变小，从而感应电容减小，反之增大。
这个变化的幅度就代表着被测物体与电容感应系统之间的某种性质和特征，通过读取电容计算出实际测量结果。
二、电容式传感器的应用场景1、压力传感与重量测量电容式传感器常用于压力、重量等动态监测系统中，可以感应其相应物体的动态压力或重量，并输出结果以进行后续的计算或控制。
这种应用场景在航空航天、工业生产、环境水准监测、医疗设备等领域中非常常见。
2、物体定位与距离测量电容式传感器还可以用来测量物体距离，以及物体在特定空间中的位置。
通过感应物体距离或位置的变化，电容式传感器可以非常精准地计算被测物体的位置和距离数据，应用于机器人导航、车辆控制、智能家居等领域。
3、物体识别与分类电容式传感器可以测量物体表面的电容值变化，从而判断不同物体的电容值，根据此来区别及分类不同物体。
这种方法被广泛应用于自动化装置、质量检测、物品分类等领域。
4、流体传感与液位控制电容式传感器在流体中的应用场景也相对广泛，例如，可以通过电容值变化来计算流体浓度、流速、流量、进出口压力等参数，特别适用于医疗、工业、环境、食品等领域的流体传感测控。
总的来说，电容式传感器的工作原理虽然较为简单，但是由于其在多个领域中的应用场景非常广泛，所以其优势在于对不同物体的特征提供了一个高精度、无损的信息采集方式。
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• 任务1 电容式传感器基本知识 • 任务2 电容式传感器的应用 • 任务3 电容式传感器知识扩展—电容器指
纹识别 • 任务4 电容式传感器项目实训—由集成电
路制作的电容感应式控制电路
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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.1.1电容式传感器工作原理及结构
• 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
任务1 电容式传感器基本知识
• 该电路为一幅值电路，高频稳幅交流电源提供载波，极距变什的信号 (被测量)为调制信号，输出为调幅波。与其他转换电路相比，运算式 电路的原理菊为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用“驱动电缆” 技术来消除电缆电容的影响，电路菊为复杂且调整困难。
• 4.脉冲宽度调制电路 • 脉冲宽度调制电路(PWM)是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲
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任务1 电容式传感器基本知识
• 其中， • 灵敏度 • 由此可见，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h呈线
性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.1.2电容式传感器的转换电路
• 电容式传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由转换电路 将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。测量电路的种 类很多，下面介绍常用的几种测量电路。
• 2.变面积式电容传感器 • 变面积式电容传感器工作时极距、介质等保持不变，被测量的变化使
其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个 是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 图3 -4所示为几种面积变化型电容传感器的原理示意图。在理想情况 下，它们的灵敏度为常数，不存在非线性误差，即输入输出为理想的 线性关系。实际上由于电场的边缘效应等因素的影响，仍存在一定的 非线性误差。
• 当被测信号不为0时， △C ≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为
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• 频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。 这种测量电路的灵敏度很高，可测0. 01 μm的位移变化量，抗干扰能 力强(加入混频器后更强)，缺点是电缆电容、温度变化的影响很大， 输出电压μ0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路 比较复杂。
• 在电路初始状态时，设电容C1= C2= C0，当接通工作电源后双稳态触 发器的R端为高电平，S端为低电平，双稳态触发器的Q端输出高电 平，Q端输出低电平，此时μA通过R1对C1充电，C点电压μC升高，当 μC> μR时，电压比较器A1的输出为低电平，即双稳态触发器的R端为 低电平，此时电压比较器A2的输出为高电平，即S端为高电平。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 式中，μH为触发器输出的高电平值;t1为电容C1的充电时间;t2为电容 C2的充电时间。设电阻R1=R2，经低通滤波器后，获得的输出电压平 均值为
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任务1 电容式传感器基本知识
• 由上式可知，差动电容的变化使充电时间，t1、t2不相等，从而使双 稳态触发器输出端的矩形脉冲宽度不等，即占空比不同。
• 1.交流电桥 • 这种转换电路是将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，
通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由 电阻一电容、电感一电容组成的交流电桥，图3 -7所示为电感一电容 电桥。变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、 C2作为电桥的四个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 式中，L为振荡回路的电感;C为振荡回路的总电容，C=C1+ C2+C0±C。其中，C1为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容; 鱿，1 0C为传感器的电容。
• 当被测信号为0时，△C =0，则C =C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有 频率关ƒ0，
• 1.电容式接近开关 • 如图3-13所示为电容式接近开关的结构示意图。检测极板设置在接近
开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很 小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地 间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质因数(Q)的LC振荡电路， Q=1/(ωCR)。当被检测物体为地电位的导电体(如与大地有很大分布 电容的人体、液体等)时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的 Q值将下降，导致振荡器停振。
• 3.运算放大式电路 • 如前所述，极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关
系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可 以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个 测试装置的非线性误差得到很大的减小。图3-9所示为电容传感器的 运算式转换电路。
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• 这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，当 极距变动量较大时，非线性误差要明显增大。为限制非线性误差，通 常是在较小的极距变化范围内工作，以使输入输出特性保持近似的线 性关系。一般取极距变化范围△x/d0≤0. 1。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 实际应用的极距变化型传感器常做成差动式(如图3 -3所示)。上下两 个极板为固定极板，中间极板为活动极板，当被测量使活动极板移动 一个△ x时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极 距一个减小、一个增大，因此它们的电容量也都发生变化。若△x 《d0，则两个平板电容器的变换量大小相等、符号相反。利用后面 的转换电路(如电桥等)可以检出两电容的差值，该差值是单个电容传 感器电容变化量的两倍。采用差动工作方式，电容传感器的灵敏度提 高了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素(如环境温度变化、 电源电压波动等)对测量精度的影响也得到了一定的补偿。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减少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。图3 -5是改变极 板间遮盖面积的差动电容传感器的结构图。上、下两个金属圆筒是定 极片，而中间的为动片，当动片向上移动时，与上极片的遮盖面积增 大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，方向相反， 实现两边的电容成差动变化。
• 5.二极管双T形交流电桥 • 图3-12所示是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它
提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管， R1=R2 = R , C1、C2为传感器的两个差动电容。
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任务2 电容式传感器的应用
• 电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量 的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分 含量等参数的测量。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量 变化相对应的输出，最后由仪表显示记录。
• 2.调频电路 • 如图3-8所示，把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的
变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化，振荡 器的振荡频率为
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任务1 电容式传感器基本知识
• 极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特 性好，灵敏度和精度极高(可达nm级)，适应于较小位移(1 nm~1 μm) 的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容(如 电缆电容、分布电容等)的影响显著，为改善这些问题而需配合使用 的电子电路比较复杂。
的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得 到对应于被测量变化的直流信号。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 图3 -10为脉冲宽度调制电路。它由电压比较器A1、A2，双稳态触发 器及电容充彭电回路组成。其中R1= R2 , VD1、VD2为特性相同的二 极管，C1、C2为一组差动电容传感元件，初始电容值相等，μR为比 较器A1、A2的参考比较电压。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.变介电常数式电容传感器 • 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。这类传感器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。 • 如图3 -6(a)所示，图中两平行极板固定不动，极距为ζ0，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。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
• 式中， ε为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， ε0 = 8. 854x10-12F/m; εr为极板间介质相对介电常数;A为两平 行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 当被测参数变化使得式(3 -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，电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变 介电常数式三种类型。
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任1 电容式传感器基本知识
• 双稳态触发器的Q端翻转为低电平，μC经二极管VD1快速放电，很快 由高电平降为低电平，Q端输出为高电平，通过R2对C2充电，当μD> μR时，电压比较器A2的输出为低电平，即S端为低电平，电压比较器 A1的输出为高电平，即双稳态触发器的R为高电平，双稳态触发器的 Q端翻转为高电平，回到初始状态。如此周而复始，就可在双稳态触 发器的两输出端各产生一宽度分别受C1、C2调制的脉冲波形，经低 通滤波器后输出。当C1=C2时，线路上各点波形如图3-11(a)所示，东 B两点间的平均电压为零。但当C1、C2值不相等时，如C1> C2，则C1 的充电时间大于C2的充电时间，即t1> t2，电压波形如图3-11(b)所示。