电容式位移传感器.ppt
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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，
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。
《位移传感器》课件2
响应速度快
磁致伸缩位移传感器具有较快的响应 速度，能够实时监测物体的位移变化 。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
• 可靠性高：磁致伸缩位移传感器具有较高的可靠性，能够 在恶劣环境下稳定工作。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
STEP 03
对振动敏感
STEP 02
磁致伸缩位移传感器容易 受到振动的影响，需要采 取相应的减震措施。
根据测量精度要求选择高精度或 一般精度的位移传感器，以满足 实际测量误差的要求。
环境因素考虑
考虑工作环境对位移传感器的影 响，如温度、湿度、振动等，选 择适合恶劣环境的传感器型号。
位移传感器的安装与调试
安装位置确定
根据测量需求确定传感器的安装 位置，确保传感器能够准确测量 目标物体的位移变化。
注意事项
位移传感器广泛应用于各种领域，如机械、电子、航空航天、汽车、医疗等，是实现自 动化控制和检测的关键元件之一。
位移传感器的分类
电容式位移传感器
利用电容器原理，通过测量电容量的变化来检测 位移量。具有精度高、响应速度快、稳定性好等 优点，但易受环境温度和湿度的影响。
光学位移传感器
利用光学原理，通过测量光束的偏移或光强的变 化来检测位移量。具有精度高、抗干扰能力强、 可靠性高等优点，但成本较高且对环境要求较高 。
详细描述
超声波位移传感器利用超声波的传播特性，通过测量超声波在空气中传播的时间或相位差来推算出被 测物体的位移量。具体来说，传感器发出超声波，当遇到被测物体后反射回来，通过测量超声波的传 播时间和相位差，可以计算出被测物体的位移量。
Part
03
位移传感器的优缺点
电容式位移传感器的优缺点
高精度测量
位移传感器的应用领域
磁致伸缩位移传感器具有较快的响应 速度，能够实时监测物体的位移变化 。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
• 可靠性高：磁致伸缩位移传感器具有较高的可靠性，能够 在恶劣环境下稳定工作。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
STEP 03
对振动敏感
STEP 02
磁致伸缩位移传感器容易 受到振动的影响，需要采 取相应的减震措施。
根据测量精度要求选择高精度或 一般精度的位移传感器，以满足 实际测量误差的要求。
环境因素考虑
考虑工作环境对位移传感器的影 响，如温度、湿度、振动等，选 择适合恶劣环境的传感器型号。
位移传感器的安装与调试
安装位置确定
根据测量需求确定传感器的安装 位置，确保传感器能够准确测量 目标物体的位移变化。
注意事项
位移传感器广泛应用于各种领域，如机械、电子、航空航天、汽车、医疗等，是实现自 动化控制和检测的关键元件之一。
位移传感器的分类
电容式位移传感器
利用电容器原理，通过测量电容量的变化来检测 位移量。具有精度高、响应速度快、稳定性好等 优点，但易受环境温度和湿度的影响。
光学位移传感器
利用光学原理，通过测量光束的偏移或光强的变 化来检测位移量。具有精度高、抗干扰能力强、 可靠性高等优点，但成本较高且对环境要求较高 。
详细描述
超声波位移传感器利用超声波的传播特性，通过测量超声波在空气中传播的时间或相位差来推算出被 测物体的位移量。具体来说，传感器发出超声波，当遇到被测物体后反射回来，通过测量超声波的传 播时间和相位差，可以计算出被测物体的位移量。
Part
03
位移传感器的优缺点
电容式位移传感器的优缺点
高精度测量
位移传感器的应用领域
电容式传感器资料课件
工作原理
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
基于电容器的工作原理，通过改 变电容器极板间距或面积来检测 待测物理量，从而改变电容量， 实现电信号的转换。
类型与分类
类型
根据结构和工作原理的不同，电容式 传感器可分为变间距型、变面积型和 变介电常数型等。
分类
根据应用领域和检测对象的不同，电 容式传感器可分为位移传感器、压力 传感器、液位传感器等。
05 电容式传感器的校准与维护
校准方法
01
02
03
04
线性校准
通过比较标准信号和传感器输 出信号，调整传感器参数，使 其输出与标准信号线性对应。
温度校准
在不同温度下测试传感器的输 出，根据温度变化对传感器进 行补偿，确保测量准确性。
零点校准
调整传感器的零点参数，使其 在无输入信号时的输出为零。
灵敏度校准
THANKS 感谢观看
快速响应
总结词
电容式传感器具有快速的响应速度，能够实时跟踪被测物体 的变化。
详细描述
由于电容式传感器采用电场原理工作，其响应速度较快，能 够实时跟踪被测物体的变化。这种特性使得电容式传感器在 需要快速响应的应用场景中具有优势，如振动监测、压力控 制等。
温度稳定性
总结词
电容式传感器具有较好的温度稳定性，能够在不同温度环境下保持稳定的性能。
VS
详细描述
在流量测量中，电容式传感器通常与流动 管路结合使用，通过测量流体流过管路时 引起的电容量变化来推算流量。这种传感 器具有测量范围宽、长期稳定性好和低维 护成本等优点。
温度检测
总结词
电容式传感器也可用于温度检测，具有非接 触、快速响应和高温稳定性等特点。
详细描述
在温度检测中，电容式传感器利用温度变化 引起电介质物理特性的变化，从而引起电容 量变化的原理进行温度测量。这种传感器适 用于高温、高压和腐蚀性环境下的温度检测 。
最新第3章电容式传感ppt课件
时（有3-1：7）
当介质 2 移进电容器中 x长度时，有：
CA
bx l1 l2
CB
ba x
1 l
1 2
1
（3-18）
• 电容量为：
CC 01Ax （3-19）
式呈中线性关系。 A
1
a
l1
l
1 2
l2
1
，为常数，电容量 C与位移量x
其灵敏度系数为：
KC C x AC 0
（3-20）
• 此传感器可用来测量差压或表压(静态)，并将信号转换为成比 例的电信号，输出0~5VDC或0~10VDC的电压信号或4—20mA的 电流信号。激励电压为24VAC或24VDC。具有IP65／NEMA一4防 护等级。测量范围最小可达0~25Pa，最大为0~7500Pa，在温室 下精度为±1% FS，温度补偿范围在5~65 ℃，通过温度补偿电 路，使温度影响小于 ±0.06%FS/℃，其中，FS代表满量程，
hr
式中： 0 ——外圆柱简与内圆柱重叠部分长度；
R ——外圆柱简内径；
r ——内圆拄外径。
内圆柱沿轴线移动△x 时．电容的变化量为：
C2lnR xC0
x h0
r（3-12）源自其灵敏度系数为：KC
C2常数
x lnR
（3-13）
r
• 3．角位移式电容传感器 角位移式电容传感器的结
构如图3-5(c)所示，定极板2的轴由被测物体带动而
图3-9 调频电路
图3-9中的调频振荡器的频串 可由下式决定：
f0
2
1 L0Cx
（3-23）
式中： L0——振荡回路的电感； CX——电容式传感器的总电容。 在电容式传感器尚未工作时，则
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
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。
电容式位移传感器.ppt
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ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。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
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。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1
器有一个固有频率f0,
1
f0= 2[(C1C2C0)L]12
(3 - 20)
当被测信号不为 0 时, ΔC≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为
f2[c (1c1 2c0)L]12f0f
(3 - 21)
调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至 0.01 μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和 与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测 遥控。
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
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变间隙型 变面积型 变介质型
2.1 变极距型电容传感器
图1 变极距型电容传感器
设动片未移动时极板间距为δ0
初始电容量为：
C0 S
0
ห้องสมุดไป่ตู้
下极板上移：
C 0 S S 0 S 0 0 C 00 （ 3 2 ）
所C 以 C0C0
x l
11 2
d1 1
d2 2
（318）
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
二、 电容式传感器的测量电路
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。 1、 调频测量电路
电容的相对变化量为：
C C0 0
10
0
（33）
当/01时，
C C 0 0 1 0 0 2 0 3 .. ...（ .3 4 ）
略去高次项，得：
C C 0 0
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ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。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
（ 3 5 ）
所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足
Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。
非线性误差与Δ δ /δ 0有关。其表达式为：
（） 2
r 0 100%
0
0
K C 00r 2 S 1 02 （ 37 ）
（36）
传感器的灵敏度为：
电容式位移传感器
一、 电容式传感器的工作原理及特性
1.基本工作原理
平行极板电容器的电容量为：
CS0rS
（ 31 ）
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； ε 0 ——真空的介电常数，ε 0 =8.854×10-12 F/m； ε r ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，ε r ≈1。
（ 31） 0
非线性误差为：
r 0 0310 % 0 0 210 % 0
（ 31） 1 减小
灵敏度：
K C 2C 0 0
（ 31） 2提高一倍
2.2 变面积型电容传感器 角位移变面积型
当 0，
S
C0
图10 调频测量电路原理框图
图 10 中调频振荡器的振荡频率为
f
1
1
2(LC) 2
(3 - 19)
式中: L——振荡回路的电感;
C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0±ΔC为传感器的电容。
C 2C 0 C 0 S C 0 1 0 1
当 /0 1时，
C 1C0 1 0 0 2 0 3..
...
.
C2C 0 1 0 0 2 0 3... ...
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
C C 02 0 1 （ 0） 2 （ 0） 4 （ 39 ）
略去高次项：
C C 02 0
C xC 0CbaxC 01a x
C x 线性关系 C0 a
（ 31） 4
2.3 变介电常数型电容传感器
单组式平板形厚度传感器
图6 厚度传感器
图7 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 ,则
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。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
CC1C2C3axbx （ 31） 5 0
单组式平板形线位移传感器
图8 线位移传感器
图9 线位移传感器等效电路
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器的电容量为：
C01d1b dl2
（ 31） 6
插入介质ε2 后的电容量为：
CC AC Bbd x1 1 1d 2 2blxd1 11d2 （ 31） 7
当 0，
C
C0
C
S1
C01
C
C0
（313）
θ
动片
定片 图4 角位移式
显然：电容Cθ 与角位移θ 呈线性关系。
板状线位移变面积型
当其中一个极板发生x位移后， 改变了两极板间的遮盖面积S ， 电容量C同样随之变化。
图5 直线位移式
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1
2.1 变极距型电容传感器
图1 变极距型电容传感器
设动片未移动时极板间距为δ0
初始电容量为：
C0 S
0
ห้องสมุดไป่ตู้
下极板上移：
C 0 S S 0 S 0 0 C 00 （ 3 2 ）
所C 以 C0C0
x l
11 2
d1 1
d2 2
（318）
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
二、 电容式传感器的测量电路
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。 1、 调频测量电路
电容的相对变化量为：
C C0 0
10
0
（33）
当/01时，
C C 0 0 1 0 0 2 0 3 .. ...（ .3 4 ）
略去高次项，得：
C C 0 0
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ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。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
（ 3 5 ）
所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足
Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。
非线性误差与Δ δ /δ 0有关。其表达式为：
（） 2
r 0 100%
0
0
K C 00r 2 S 1 02 （ 37 ）
（36）
传感器的灵敏度为：
电容式位移传感器
一、 电容式传感器的工作原理及特性
1.基本工作原理
平行极板电容器的电容量为：
CS0rS
（ 31 ）
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； ε 0 ——真空的介电常数，ε 0 =8.854×10-12 F/m； ε r ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，ε r ≈1。
（ 31） 0
非线性误差为：
r 0 0310 % 0 0 210 % 0
（ 31） 1 减小
灵敏度：
K C 2C 0 0
（ 31） 2提高一倍
2.2 变面积型电容传感器 角位移变面积型
当 0，
S
C0
图10 调频测量电路原理框图
图 10 中调频振荡器的振荡频率为
f
1
1
2(LC) 2
(3 - 19)
式中: L——振荡回路的电感;
C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0±ΔC为传感器的电容。
C 2C 0 C 0 S C 0 1 0 1
当 /0 1时，
C 1C0 1 0 0 2 0 3..
...
.
C2C 0 1 0 0 2 0 3... ...
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
C C 02 0 1 （ 0） 2 （ 0） 4 （ 39 ）
略去高次项：
C C 02 0
C xC 0CbaxC 01a x
C x 线性关系 C0 a
（ 31） 4
2.3 变介电常数型电容传感器
单组式平板形厚度传感器
图6 厚度传感器
图7 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 ,则
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。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
CC1C2C3axbx （ 31） 5 0
单组式平板形线位移传感器
图8 线位移传感器
图9 线位移传感器等效电路
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器的电容量为：
C01d1b dl2
（ 31） 6
插入介质ε2 后的电容量为：
CC AC Bbd x1 1 1d 2 2blxd1 11d2 （ 31） 7
当 0，
C
C0
C
S1
C01
C
C0
（313）
θ
动片
定片 图4 角位移式
显然：电容Cθ 与角位移θ 呈线性关系。
板状线位移变面积型
当其中一个极板发生x位移后， 改变了两极板间的遮盖面积S ， 电容量C同样随之变化。
图5 直线位移式
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1