电容式传感器 (5)ppt课件
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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
《电容传感器》PPT课件
四、双T电桥
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，电源
经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流
为20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
2021/4/24
4
轨道交通学院
School of Railway Transportation
二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
17
轨道交通学院
School of Railway Transportation
负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
双T电桥电路
差动式
负载
U0
iC1 +
iC2
+
正半周：C1充电，C2放电
若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电
容C1被以极短的时间充电至U ，电容C2的电压初始值为 U，电源
经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流
为20i221/，4/24流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
补充：差动电容传感器
差动电容传感器结构示意图
a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板
从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差 动电容传感器的好处：
1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差
变面积式电容传感器的特性
变面积电容传感器的灵敏度为常数， 即输出与输入呈线性关系！！！！这
一类传感器多用于检测直线位移、角 位移、尺寸等参量。
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二、变间隙式电容传感器
定极板
C0
A
d
C A
dx
x
动极板
C0
17
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School of Railway Transportation
负半周：C2充电，C1放电
在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电 压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1 经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。
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。
电容式传感器教学课件
电容式传感器的工作原理
电容式传感器是通过改变电容值 来实现测量的。
电容式传感器的结构和特点
本节将介绍电容式传感器的结构、特点以及它们的应用场景。
1
结构
电容式传感器由两块带电极板组成，并以介电常数介质隔开。
2
特点
电容式传感器具有分辨率高、体积小、响应速度快、精度高等特点。
3
应用
电容式传感器广泛应用于车载电气控制、机器人和自动化设备、航空航天等领域。
电容式温度传感器
4
等领域。
主要用于高精度的温度检测，例如航天 器、机器人、汽车和电子计量器等。
电容式传感器的使用和维护
本节将介绍电容式传感器的使用注意事项以及维护方法。
1 使用注意事项
避免机械撞击、电击和磁场干扰；安装时请 注意方向和距离。
2 维护方法
保持传感器的清洁和干燥；注意传感器的电 气性能；定期更换较老的传感器；合理使用 传感器。
电容式传感器的分类
本节将介绍电容式传感器的常见分类，以及每种传感器的使用场景。
1
电容式加速度传感器
广泛应用于振动感应器、地震检测和军
电容式气压传感器
2
用电子设备等领域。
广泛用于空气压力测量、液体水平测量、
气囊系统和锅炉测量等领域。
3
电容式湿度传感器
广泛应用于湿度测量和温度测量，并广
泛用于农业、化学、医疗、环境和气象
电容式传感器教学课件 PPT
本教学课件将详细介绍电容式传感器的原理、种类、结构和应用。通过本课 件，你将深入了解电容式传感器，掌握其使用和维护方法，了解电容式传感 器的发展前景。
引言
电容式传感器是一种非常常见的传感器，广泛应用于各个领域。本节将介绍电容式传感器的概念 以及电容式传感器的种类。
电容式传感器资料课件
软件校准
通过修改传感器的软件算 法，如补偿算法、滤波算 法等，来提高传感器的测 量精度。
综合校准
结合硬件和软件两种方式 ，对传感器进行全面校准 。
电容式传感器的标定实验及数据处理
实验设计
根据传感器的工作原理和实际应用场景，设 计标定实验方案。
数据采集
在实验过程中，采集传感器在不同条件下的 输出数据。
电容式传感器在温度测量中的应用
总结词
高精度、快速响应、稳定性好
详细描述
电容式传感器可将温度变化转化为电容量的变化，从而实现 对温度的精确测量。具有高精度、快速响应、稳定性好等优 点，适用于各种需要温度测量的场合，如环境监测、医疗设 备、工业生产等。
05
电容式传感器的校准与标 定
电容式传感器的误差来源及影响分析
展望电容式传感器的未来发展方向
高性能化 随着科技的不断进步，电容式传 感器的性能将不断提高，测量精 度和灵敏度将得到进一步提升。
微型化 随着微纳制造技术的发展，未来 的电容式传感器将更加微型化， 能够应用于更小的空间和更复杂 的场景。
智能化 未来的电容式传感器将更加智能 化，具备自校准、自补偿、自诊 断等功能，能够更好地适应复杂 环境下的测量需求。
电容式传感器所面临的挑战与对策
温度影响
电容式传感器的电容值会随温度变化而变化，给测量带来误差。为了减小温度影响，需要 采用温度补偿技术、选用具有良好温度特性的材料以及优化传感器结构设计等措施。
交叉灵敏
交叉灵敏是指电容式传感器对不同方向的干扰敏感，导致测量误差。为了减小交叉灵敏影 响，需要优化传感器结构设计、选用具有良好方向特性的材料以及采用信号处理技术等措 施。
电极材料
根据应用场景和敏感材料 选择电极材料，如金、银 、不锈钢等。
电容式传感器 课件
Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
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 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 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。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，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。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、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。
特点：运算式电路的原理较为简单，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，电路较为复杂且调整困难
2020/1/17
28
C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
uC
u0
S
d
式中“负号”表示输出电压的 相位与电源电压反相。
上式说明 u 0与d成线性关系
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 电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量 变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 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。
3 变介电常数型电容式传感器
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比， 极距越小灵敏度越高。但极距过小，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。
原理上的非线性 ，要修正。
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、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。
特点：运算式电路的原理较为简单，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，电路较为复杂且调整困难
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C ～u
Cx
A
由运算放大器工作原理可知
u0
1 / ( jCx ) 1 / ( jC)
u
C Cx
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。
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。
传感器课件--5电容传感器 .ppt
（下电极） 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅
（上电极）
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成
多层结 构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容C1、 C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅
是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上， 所以相当于悬臂梁。
当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加 速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC
微加工三轴加速度传感器
技术指标：
灵敏度：500mV/g ， 量程：10g， 频率范围：0.5-2000Hz， 安装谐振点:8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安装螺纹：M5 mm ， 线性误差：≤1%
硅微加工加速度传感器原理
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液 位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出 开关量。当液位到达设定 值时，它输出低电平。但 也可以选择输出为高电平 的型号。
液位限位传感器 的设定 设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
改变了两极板之间的距离d，从而使电容量
发生变化。
实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较
（上电极）
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成
多层结 构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容C1、 C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅
是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上， 所以相当于悬臂梁。
当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加 速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC
微加工三轴加速度传感器
技术指标：
灵敏度：500mV/g ， 量程：10g， 频率范围：0.5-2000Hz， 安装谐振点:8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安装螺纹：M5 mm ， 线性误差：≤1%
硅微加工加速度传感器原理
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液 位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出 开关量。当液位到达设定 值时，它输出低电平。但 也可以选择输出为高电平 的型号。
液位限位传感器 的设定 设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
改变了两极板之间的距离d，从而使电容量
发生变化。
实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较
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)
可见，输出电容与液面高度成线性关 系。
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
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
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1．温度影响
应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如铁镍 合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。
极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高绝缘 电阻、低吸湿性材料。
2．电场的边缘效应
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。
只要固定平行板电容器3个参量d、S、e 中的两个，只要另外一
个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分 成3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。
电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几十 皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成比 例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路时，可根据电 容传感器的变化量，选择合适的电路。
3
4.1 电容式传感器工作原理
4.1.1 变面积式电容传感器
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 。
1．直线位移式
图4.2 变面积型电容传感器原理图
C 电Cx容所定的为示极(相提的板a对高结之d变测构间x化量)形的b量精式相和度对，灵da，b极以敏也距减度常d可为少x用b能动K如变极C图0化板Cx4而与.3Cdb
4.2 测量电路
4.2.1 调幅型电路
1．交流电桥电路 （1）单臂桥式电路
图4.12 单臂接法交流电桥电路
图4.13 变压器交流电桥电路
（2）差动接法变压器交流电桥电路
U&o
( C0 ( C0
C C
)( C0 )( C0
C C
) )
U&s
C C0
U&s
9
2．运算放大器式测量电路
理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为
若被测介质的介电常数x已知，测
出输出电容C的值，可求出待测材料 的厚度x。若厚度x已知，测出输出电 容C的值，也可求出待测材料的介电
常数x。因此，可将此传感器用作介 电常数x测量仪。
图4.8 平面式测位移传感器 图4.9 测厚仪
7
2．圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。其基
本结构如图4.10所示，内外筒为两个 同心圆筒，分别作为电容的两个极。
由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使电容
传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用时要
引起注意。
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17
作业
P73 1、3、4
18
uo
ui
C0 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
。
uo
ui
C0
S
gd
图4.14 运算放大器式测量电路
图4.15 调零电路 10
4.2.2 差动脉冲宽度调制电路
电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的 占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器得 到对应于被测量变化的直流信号。
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。
图4.18 调频-鉴频电路原理图
调频振荡器的振荡频率
f 1 2π LC
13
4.3 实际中存在的问题及其解决办法
3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
（2）屏蔽。
14
4.4 电容式传感器的应用
1．电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位
移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电 容量也相应产生变化。
图4.20 变面积式位移传感器结构图 15
C 2π h ln R r
如图4.11所示为一种电容式液面计的
原 ，理放图入。该圆在柱介式电电常容数器为，x的液被体测上液面体气中体 的介电常数为，液体浸没电极的高度
就是被测量x。
C C1 C2 a bx
液面计的输出电容C与液面高度x成线 性关系。
图4.10 圆柱式电容器结构图
图4.11 电容式液面计 8
图4.16 差动脉冲宽度调制电路 11
（a）C1 = C2
（b）C1 > C2 图4.17 电路各点的充放电波形
当电阻R1 = R2 = R 时，则有
Uo
C1 C1
C2 C2
UH
由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。
12
4.2.3 调频电路
1．载波频率改变的调幅调频式
电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液 位、厚度。
2
4.1 电容式传感器工作原理
C=ε.S/d=ε0. εr.S/d ε=ε0. εr
C为电容 对介电常数
ε0=8.85×10-12F/m
εr为相
用S为极板相对覆盖面积m2 d为极板间距
电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电 常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移式 、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常数 式、圆筒介电常数式。
差动式传感器的非线性误差减少了一个 图4.7 差动结构的变间隙电容传感器 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以
在实际应用中被较多采用。
6
4.1.3 变介电常数式电容传 感器
1．平面式
C
C
C0
r 1 d
0
ax
电 容 变 化 量 C 与 位 移 x 呈 线 性 关 系
。
C C1C2
xS
C1 C2 xd ( x )x
第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
1
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量 变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率高 、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、辐 射和强烈振动等恶劣条件下工作。
C0 a 引起的测量误差。
图4.3 中间极板移动变面积式电 容传感器原理图
4
4.1 电容式传感器工作原理
2．角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移q 时，两极板间互相
覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。
Sπ
C π
S(1
)
d
dπ
图4.4 角位移式电容传感器原理图
在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵 敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.5所示。 图4.5 差动角位移式电
容传感器原理图 5
4.1.2 变间隙式电容传感 器
基本结构电容的相对变化量和灵 敏度分别为
C d
C0 d0
K C C0 S
d d0 d02
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差C0
d0
K C 2 C0 2 S
d
d0
d
2 0
与基本结构间隙式传感器相比，
2．电容式压力传感器 该压力传感器可用于测量微小压差。
图4.21 差动电容式压力传感器原理图
图4.22 电容测厚仪工作原理
3．电容测厚仪 电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧制过
程中由它监测金属板材的厚度变化情况。
16
小结
变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传 感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好 等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。