第3单元电容式传感器详解

3.2.4 变压器电桥
误差因素1：边缘效应
3
均匀电场 2 1
3
边 缘 电 场
图 4-10 带有等位环的平板 电容传感器原理图
误差因素2：寄生电容
芯 线 传 感 器
图 4-12
1:1 内屏蔽层 外屏蔽层 测量 电路 前置级
“驱动电缆”技术原理图
3.2.5 电容式传感器的应用
变极距型 适用于较小位移的测量，量程在 0.01μm 至数百微米、精度可达0.01μm 、分 辨力可达0.001 μm 。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫 米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01 μm 。
HM1500湿度传感器
3.2.6 其他应用 1. 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是 通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化， 暂时形成震荡脉冲允许通过的条件 理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率 极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐 患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质 量的键盘 工艺较机械结构复杂
1 1 1 01 ( 0 1 ) x c c1 c2 01S
变面积型电容式传感器
转轴转角的测量
变介质型电容式传感器
下图是电容式液位计示意图。内圆管的外径为 10mm ，外圆管的内径为 20mm ，管的高度为 h1 ＝ 3m, h0＝0.5m，被测介质为油，它的r＝2.3，电容 器总电容量401pF，求液位。若容器的直径为 3m， 油的密度0.8t/m3，求容器内油的重量。
人体接近式电容传感器
电容式湿度传感器


湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高 分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部 门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。 当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生 变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相 对湿度成正比。
优点：体积小、成本低、 成像精度高、耗电量很 小，因此非常适合在消 费类电子产品中使用。
实例二：电容层析成像系统
各电极对间的电容值
3.1 电容式传感器的工作原理及类型
S
δ
S c
ε
图 4-1
平板电容器
变极距型电容传感器
0 r S c0
图示为一种常用的测量厚度结构。
电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1″至几十度，分辨力约0.1″，零位稳定性可 达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精 度陀螺和摆式加速度计。 电容式测振幅传感器 可测峰值为050 μm 、 频率为10 2kHz，灵敏度高于0.01 μm ，非 线性误差小于0.05 μm 。
电容式位移传感器
2.液位计
3.料位计
电容料位计电路图
Sitrans LR 400 Sitrans LU
超声波
4线连续 FMCW雷达
Sitrans LC 500
电容
习题




画图并说明平板式电容传感器的工作原理。 画出电容式传感器的完整的等效电路及在高、低频激励 下的等效电路。 分析电容传感器的误差因素，有哪些补偿方法？（边缘 效应、寄生电容的消除） 单组式边面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对 覆盖部分的宽度为4mm，两极板间隙为0.5mm，极板间介 质为空气，试求其静态灵敏度？若两极板相对移动2mm， 求其电容变化量。 画出电容式加速度传感器的结构示意图，并说明其工作 原理。

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力 等）的变化转换成电容变化量的一种传感 器。实际上,它本身（或和被测物）就是一 个可变电容器。
实例一：指纹识别传感器
图为IBM ThinkpadT4 2/T43 的指纹识 别传感器


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。 下图为指纹经过处 理后的成像图：
3.3.3 二极管双T型交流电桥 图示为二极管双 T 型交流电桥电路原理图。 e 是高频电源 , 它提供幅值为 U i 的对称方波 , V D1 、 V D2 为特性完全相同的两个二极管 , R 1 = R 2 = R , C 1 、C 2为传感器的两个差动电容。当 传感器没有输入时 , C1 = C2 。电路工作原理 如下:
第3单元 电容式传感器
3.1 电容式传感器的工作原理类型及特点 3.2 电容式传感器的测量电路及应用 习题
请你思考


试举例你身边的小距离非接触测量的电容式传感 器。 电容式传感器可否替代应变片式传感器，制成称 重设备？考虑它的弹性元件应如何设计？ 电容测量时，引线与大地之间的杂散电容对被测 电容影响较大，考虑四相检测电容转移式微电容 测量线路可否克服上述问题。 试采用MATLAB/Simulink建立电容传感器的仿真 模型，可调用现有的转换电桥模块Converting bridge和整流模块Rectifier等，观察输入输出值和 准确度。
Baidu Nhomakorabea 3.2
电容式传感器的测量电路
3.2.1.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。
f0
1 2 [(C1 C2 C0 ) L]
1 2
调频电路
3.2.2 运算放大器式电路
U0

1 jCx C U U 1 jC Cx
交流电源 1:1 放大器 测量电极 屏蔽电极
图 4-27 电容式位移传感器测量原理图
电容式压力传感器
CL CH K Io IC p CL CH d0
（4～20）mA的直流输出信
电容差压传感器电路图
电容式加速度传感器
电容差压传感器的主要性能指标为： 量程：0-100～0-700mmH2O；0-500～03500mmH2O；0-3000～0-21000mmH2O； 精度：±0.2%； 测试温度：±40℃； 最大压力：1.4×107Pa。