第三章电容式传感器应用
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 %
电容式传感器的应用场合
电容式传感器的应用场合
电容式传感器是一种常用的传感器类型，可以广泛应用于工业自动化、机器人控制、电子设备、医疗器械等领域。
本文将从以下几个方面介绍电容式传感器的应用场合。
一、距离测量
电容式传感器可用于测量物体的距离。
通过测量物体与传感器之间的电容值，可以计算出物体与传感器之间的距离。
这种测量方法非常精确，可用于测量各种尺寸范围内的物体距离。
二、液位检测
电容式传感器可以用于检测液位，例如测量水箱、油箱、储液罐等液体容器内液位的变化。
通过测量液体与传感器之间的电容值，可以确定液位的高低。
这种检测方法精度高、灵敏度高，可应用于各种液体容器的液位检测。
三、重量测量
电容式传感器也可以用于测量物体的重量。
通过将物体放置在传感器上，测量传感器与物体之间的电容值变化，可计算出物体的重量。
这种重量测量方法精度高、稳定性好，可应用于各种物体的重量测量。
四、姿态检测
电容式传感器也可用于检测物体的姿态，包括倾斜、旋转等。
通过安装多个传感器，并测量其之间的电容值变化，可以确定物体的姿态。
这种姿态检测方法精度高、灵敏度高，可应用于机器人控制、航空航天等领域。
总之，电容式传感器具有广泛的应用场合，其高精度、高灵敏度、稳定性好等特点，使其成为各种自动化设备、检测仪器的关键组成部分。
随着技术的不断发展，电容式传感器的应用领域将会更加广泛，为各种领域的发展提供更加精确、可靠的技术支持。
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
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。
电容式传感器的应用
4、电容传声器
采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊 电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器 极板，故名为驻极体电容传声器。
变极距型应用：电容式传声器
7、电容式接近开关 被测物体 感应电极
振荡电路
被测电容
传感器技术及应用
传感器技术及应用
电容式传感器的应用
1.2 电容式传感器的应用举例 1、电容式测微仪
探头
高灵敏度电容式测微仪采用
非接触方式精确测量微位移和振 S
动振幅。在最大量程为（100±5）
h
μm时，最小检测量为0.01μm。 右图为电容式测微仪测头原 被测件
理图。
图4.17 电容式测微仪原理图
2、电容式压力传感器
压力变送器 陶瓷电容压力传感器
3.电容式加速度传感器
右图为电容式加速 度传感器的结构示意图。
4
5
A面
6
2
质量块4由两根簧片3支
Cx1
3
撑于充满空气的壳体2
内，弹簧较硬使ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统的 2
固有频率较高，因此构
Cx2
成惯性式加速度计的工 作状态。
B面
1
1、5—固定极板；2—壳体；3—簧片；4—质量块；6—绝缘体
图4.20（a）为单只变极距型电容式传感器原理图。 用于测量气体或液体压力。
图4.20（b）为一种 小型差动电容式压 力传感器。可用于 微小压力。
3 P
1
2
4
5
6
P
（a）单只电容式压力传感器 （b）差动电容式压力传感器 图 4.20 电容式压力传感器
产品.
液体压力 作用在陶 瓷膜片的 表面，使 膜片产生 位移。
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
电容式传感器的应用
电容式传感器的原理及应用电容传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量,还能测量液面、料面、成分含量等热工参量。
这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。
因此,电容传感器在自动检测技术中占有很重要的地位,并得到广泛的应用。
电容式传感器有着许多优点,应用也非常广泛,本文介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。
一．基本原理电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。
由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=εS/d。
可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型。
1.1变间距型电容传感器如图(1)所示,1为固定极板,2为可动极板。
当可动极板向上移动x,则电容的增量为ΔC=εS/(d-x)-εS/d=-εS/d(x/(d-x))=C0/d(x/(1-x/d))所以灵敏度S=Δx=C0/d=C0/d(1+x/d+x/d2+x/d3+……)。
从上式中可以看出,电容的变化量与极板移动的位移有关,而且当x/d<<1时,可以近似地认为ΔC=S·x，成线性关系。
为了提高灵敏度可以适当减小电容器初始间距和增大初始电容值。
1.2变面积型电容传感器如图所示,下面的极板为动片,上面的极板为定片。
当动片与定片有一相对线位移时,两片金属极板的正对面积变化,引起电容量的变化。
当线位移x=0时,设初始电容量为C0=εab/d,当x≠0时,Cx=ε(a-x)b/d=C0(1-x/a),因此ΔC=-C0x/a,灵敏度S=-C0/a。
可见变面积型传感器是线性传感器,增大初始电容可以提高灵敏度。
1.3变介质型电容传感器二．电容式传感器的应用1.触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。
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
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
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。
传感器
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）
图3-27 电容式称重传感器
传感器原理与应用——第三章
同轴双层电极电容式液位计。
内电极和与之绝缘的同轴金
属套组成电容的两极，外电 极上开有很多流通孔使液体 流入极板间。 1、2-内、外电极；
3-绝缘套； 4-流通孔
传感器原理与应用——第三章
以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊
场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电
系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用
计算点半径
传感器原理与应用——第三章
a2 而CA为：(积分求解过程省略) k 4 T ln 2 。 2 a b 2 2 1 4 T a a 1 CA ln 2 4 T ln 2 k 2 2 PH PL a b a b PH PL PH PL
传感器原理与应用——第三章
生物识别的技术核心在于如何获取这些生物特征，并
将其转换为数字信息，存储于计算机中，利用可靠的
匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。
传感器原理与应用——第三章
指纹识别
传感器原理与应用——第三章
19世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征， 一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，二是指纹
利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0
C1 C 2 CL CH U0 UQ UQ C1 C 2 CL CH
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硅电容式集成传感器结构
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 6.智能型电容传感器 6.智能型电容传感器 • 从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是 从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，
采用集成工艺制作，电容尺寸很小， 采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一 起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压 信号，再由调理电路处理后输出。 信号，再由调理电路处理后输出。 • 实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一 个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同， 个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同， 分别为受力电容 参考电容， 受力电容、 分别为受力电容、参考电容，参考电容不受外力 作用，补偿温度影响。 作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在 受力变形时， 受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变 化。 • 压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵 压差与变形量呈线性关系。 敏度是结构型电容传感器灵敏度的10 10倍 敏度是结构型电容传感器灵敏度的10倍。
∆P = P − P H L
电容传感器 盒膜片结构
• 前极电路将这种电容变化通过电路转换， 前极电路将这种电容变化通过电路转换， 变为电压或电流的变化
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 1.电容式压力传感器 1.电容式压力传感器
工业生产流程自动控制中膜片式压力计是 常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： 常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： • 计示压力计 （ 表压 ） ， 以 大气 为基准 ， 测 计示压力计（表压） 大气为基准 为基准， 管道、箱内、罐中压力； 管道、箱内、罐中压力； • 绝对压力计 ， 以绝对 真空 为基准测量蒸发 绝对压力计，以绝对真空 真空为基准测量蒸发 反应罐中的压力； 罐、反应罐中的压力； • 压差计，测两个压力的差值。 压差计，测两个压力的差值。
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 6.智能型电容传感器 6.智能型电容传感器 硅微型电容传感器结构
• 硅压力电容传感器的敏感元件是 电容压敏元件， 电容压敏元件，核心部分是敏感电 容器。 容器。 • 其结构是在玻璃基底上镀一层金 属铝（AL）膜做电容器的一个极板， 属铝（AL）膜做电容器的一个极板， 在硅（Si） 在硅（Si）片上是电容器的另一个 极板，硅膜厚几十微米 厚几十微米。 极板，硅膜厚几十微米。 • 电容器电容量由两个电容极板面 积和间距决定，极板间介质为空气， 积和间距决定，极板间介质为空气， 当硅膜片受力变形时电容的变化量 与压力差△ 大小有关。 △C与压力差△P大小有关。
U0 = − S U
ε0s
h
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 3.电容传感器测位移 3.电容传感器测位移
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 4.电容传声器原理 4.电容传声器原理 • PC机上的麦克风是一个电容传声器、主要由振动膜片、刚 PC机上的麦克风是一个电容传声器 主要由振动膜片、 机上的麦克风是一个电容传声器、 性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力， 性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力， 并随着压力的大小和频率的不同而振动时， 并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的 电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化， 电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从 而使电路中的电流也相应变化， 而使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，从而完成了声电转换。 压输出，从而完成了声电转换。
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 5.力平衡式加速度传感器 5.力平衡式加速度传感器
力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩, 力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它 平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。 平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于 超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。 超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。 在导弹的惯性系统平台上， 在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度 传感器，分别测出三个轴向的加速度。 传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向 的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置， 的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信 号。
结构：金属弹性膜片—动片； 结构：金属弹性膜片—动片；两个玻璃球面上镀有
• 当有差压作用时，测量膜片产生形变： 当有差压作用时，测量膜片产生形变：
膜片P 向弯曲， PH > PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2， PH < PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2； 膜片P 向弯曲，
☻ • 当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 膜片处于中间位置，
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 4.电容传声器原理 4.电容传声器原理 • 计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和 计算机中一般使用的是驻极体电容传声器， 电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜 电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜 这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷， 片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷， 从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。 从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。
第三章
自动平衡电桥电路
电容式传感器
非电量电测技术
第三章
自动平衡电桥电路
电容式传感器
非电量电测技术
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 1.电容式压力传感器 1.电容式压力传感器
金属模片；膜片左右两侧充满硅油。 金属模片；膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压P 和高压P 工作过程：当两室分别承受低压PL和高压PH时，硅油 能将压差传递到测量膜片
反馈力） 惯性力） 当Fβ（反馈力）= Fx（惯性力）时 0。 位移 y = 0。 工作原理： 工作原理：壳体加速度 惯性力
ax = d2 x / dt2
U0 = IR = R F β
Fx = max
力矩器的反馈力F = βI ββ Nhomakorabea=R
F X
β
=
R
β
mx a
β-力矩器的机电偶合系数
第三章
电容式传感器
选通 阀 接大气 基准 低压 阀
传感器
管 道 高压 阀
传感器
管道
反应罐
接真空
低压 阀
高压 阀
第三章
电容式传感 器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 2.电容板材在线测厚仪 2.电容板材在线测厚仪 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 • 带材是电容的动极板，总电容 C1+C2 作为桥臂。 带材是电容的动极板， 作为桥臂。 • 带材只是上下波动时 Cx = C1+C2总的电容量不变； 总的电容量不变； 变化。 带材的厚度变化使电容 Cx 变化。 • 采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路 采用变压器式输出电桥电路。 输出与带材厚度关系为： 输出与带材厚度关系为： C0
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 7.新型电容式指纹传感器 7.新型电容式指纹传感器
• 由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段， 由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段， 将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。 将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。 • 指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法；另 指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法； 一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像 光学设备取像、 一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像、晶体传感器取像 超声波取像。 和超声波取像。 • 光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好， 光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像 其优点是图像效果较好， CCD器件来获得指纹的图像， 器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。 器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。 • 晶体指纹传感器分为电容式和压感式，用它获取的图像质量比较好， 晶体指纹传感器分为电容式 压感式，用它获取的图像质量比较好， 电容式和 可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。 可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。晶体 传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。 传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。
因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。 因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。
Y Z X
第三章
电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 5.力平衡式加速度传感器 5.力平衡式加速度传感器 力平衡式加速度传感器结构 力平衡式加速度传感器结构 M惯性元件 、 C1 、C2 位移传 惯性元件、 惯性元件 感器、磁力矩器、 感器 、磁力矩器、电容动片固 定在质量块上。 定在质量块上。
FPS110 电容式指纹传感 器和采集的指纹图象
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电容式传感器
非电量电测技术
3-4 电容式传感器的应用举例 7.新型电容式指纹传感器 7.新型电容式指纹传感器
• 电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel等公司投资几十 电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel 贝尔实验室联合Intel等公司投资几十 亿美金，历经数十载才开发出来的， 亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上 占主要份额。 占主要份额。 • 例如FPS110 电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器，其外 例如FPS110 电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器 集合了300 个电容器， 面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面， 面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤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，这里指的是指纹脊（ 容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷 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 充放电之后的电容差值来获 （远）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。 取指纹图像。 • 传感器的生产采用标准CMOS工艺，尺寸 传感器的生产采用标准CMOS工艺， CMOS工艺 大小为15 15× 分辨率为500DPI 500DPI（ 大小为15×15mm2，分辨率为500DPI（一 英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 • FPS110 提供8位微处理器相连的接口， 提供8位微处理器相连的接口， 内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8 A/D转换器 内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8 位灰度图像。芯片功耗小于200mW 200mW， 位灰度图像。芯片功耗小于200mW，价格 600元 人民币） 在600元（人民币）下。