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电容式传感器ppt课件
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
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。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 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。
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。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，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。
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4.9 测厚仪
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
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。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。
C C0 S K 2 d d0 d0
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度 C0 2 S C d 分别为 C K 2
C0 2 d0
d d0
2 d0
与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 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。
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。 3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。 （2）屏蔽。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
C 2π h R ln r
图4.所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为x的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为，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。
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4.9 测厚仪
电容传感器桥式电路介绍PPT课件
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类 二、电容式传感器的测量电路 三、电容式传感器在应用中的注意事项 四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C
为
C 0 A
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起
虽然面积变化型电容传感器在理想情况下灵敏度为常 数，不存在非线性误差，但实际上因为电场边缘效应 的影响仍存在一定的非线性误差，且灵敏度较低。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
11
1.3 介质变化型电容传感
器
对于图所示的液位测量用介质变化型
电容传感器，传感器的总电容C等于
上、下两部分电容C 和C 的并联，即
1
2
C
ห้องสมุดไป่ตู้C1
C2
20 l h
ln
D d
2 x0l
ln
D d
a
bh
灵敏度S C b 2 x 10 =常数
h
ln
D d
由上式可知，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液位h
成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h的值。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 12
13
二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后， 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
14
2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为 电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
图所示的电桥型电路，是一种电感、电容组成的桥 路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、 滤波后获得输出，再推动显示仪表。
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类 二、电容式传感器的测量电路 三、电容式传感器在应用中的注意事项 四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C
为
C 0 A
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起
虽然面积变化型电容传感器在理想情况下灵敏度为常 数，不存在非线性误差，但实际上因为电场边缘效应 的影响仍存在一定的非线性误差，且灵敏度较低。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
11
1.3 介质变化型电容传感
器
对于图所示的液位测量用介质变化型
电容传感器，传感器的总电容C等于
上、下两部分电容C 和C 的并联，即
1
2
C
ห้องสมุดไป่ตู้C1
C2
20 l h
ln
D d
2 x0l
ln
D d
a
bh
灵敏度S C b 2 x 10 =常数
h
ln
D d
由上式可知，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液位h
成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h的值。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 12
13
二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后， 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
14
2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为 电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
图所示的电桥型电路，是一种电感、电容组成的桥 路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、 滤波后获得输出，再推动显示仪表。
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，
电容式传感器教学课件PPT
后,进行补偿。
h
27
第6章 电容式传感器
6.2.2运算放大器式电路
图6-10 运算放大器式 电路原理图
运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄
漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
U o
C Cx
Ui
Cx
A d
Uo
CUi
A
d
特点：
1.输出电压与极板距离d成正比
2.要求Zi及放大倍数足够大 3.为保证仪器精度,还要求电源电 压的幅值和固定电容稳定
ZCx2
U 2
•
•
U 11
1U
jCx2 2
•
＝U Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
2 Cx1 Cx2
h
34
第6章 电容式传感器
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
•
• U d Uo
2 d0
（其 Cx1中 d0 A d， Cx2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器 的假人
气囊
h
49
第6章 电容式传感器
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经 控制系统使气囊迅速充气 。
h
50
第6章 电容式传感器
利用加速度传感器实现延时起爆 的钻地炸弹
传感器安装位置
h
51
第6章 电容式传感器
6.3电容式传感器的应用（3）
第6章 电容式传感器
h
1
第6章 电容式传感器
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。
第04章电容式传感器ppt课件
4.3.1 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。
高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路
4.3.1 调频测量电路
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所示：
4.3.1 调频测量电路
图中调频振荡器的振荡频率为：
f
1
1
2(LC) 2
（4-13）
4.3.1 调频测量电路
✓调频电容传感器测量电路具有较高灵敏 度, 可以测至0.01μm级位移变化量
改变极板间距离(δ)的极距型传感器 改变极板遮盖面积（ A ）的面积型传感器 改变电介质介电常数〔ε0〕的介质型传感器
4.2 电容传感器分类
电容传感器分类结构图如下
电容式传感器
极距型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面积型
介质型
4.2.1 极距式电容传感器
➢当传感器的εr和A为常
+ +
+
数,初始极距为δ0时,由
式(4-1)可知其初始电
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
4.2.1 极距式电容传感器
此时电容C变为:
C
A
g 0
0 g 0
(4-4)
4.2.1 极距式电容传感器
➢式中: ➢ εg—云母的相对介电常数,εg= 7
ε0—空气的介电常数, ε0= 1 ➢ d0—空气隙厚度 ➢ dg—云母片的厚度
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PPT课件
20
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸 张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、 木材或煤等非导电固体物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
16
C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
CA0CCB0C0 r R2r2a
0
CAC 0 CBC 0 R 0rlrra
A B C
21
5.1.3变介质型电容传感器
这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸 张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、 木材或煤等非导电固体物质的湿度。
图中两平行极板固定不动，极距为 0 ，相对介电常数
现以变极距型为例，设定极板厚度为 g 0 ，绝缘件厚
度 b 0 ，动极板至绝缘底部的壳体长为a 0 ，各零件材料的
线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 Δt 后,极
间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为
35
e t0 t t0 a 0 a a a 0 a a b 0 a b b 0 a bg 0 a g g 0 a gt t
对变化量为 1 ＝ 0 － ， 2 ＝ 0 ＋
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C C 0 C 1C 0 C 22 0 1 0 2 0 4
略去高次项，可得近似得线性关系
C 2
C0
0
相对非线性误差
e
f
为
ef2 2 //00310% 0/0210% 0
上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏 度提高一倍，且误差大大减小。
29
5.2.3静电引力
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用 有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间 的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常 这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹 性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的 测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感 器静电引力的计算公式。
由此可见，消除温度误差的条件为： a0aab0abg0ag0
或者满足条件
电容式加速度传感器课件
在变化的温度和压力下，测试传感器 的输出与动态加速度之间的关系。
05
电容式加速度传感器的实际 应用案例
汽车安全气囊系统
汽车安全气囊系统是一种保护乘员安全的装置，通过在碰撞时迅速充气膨胀，为 乘员提供缓冲保护。电容式加速度传感器在其中扮演着关键角色，用于检测车辆 碰撞时的加速度变化，触发安全气囊的充气动作。
具体而言，电容式加速度传感器能够感知车辆加速或减速的细微变化，并将信号 传输给安全气囊控制单元。控制单元根据接收到的信号判断是否需要触发安全气 囊，并控制气囊的充气速度和压力，以最大程度地减少乘员受到的冲击。
地震监测
在地震监测领域，电容式加速度传感器也被广泛应用。地震 发生时，传感器能够实时监测地面的振动加速度，并将数据 传输给地震监测站进行分析。
控制系统根据这些信息调整无人机的姿态和飞行轨迹，确 保无人机能够稳定、准确地完成各种任务。例如，在航拍 、货物运输和地形测绘等应用中，电容式加速度传感器对 于无人机的稳定飞行和精确控制至关重要。
06
电容式加速度传感器的发展 趋势与挑战
新材料与新工艺的应用
高分子材料
利用高分子材料的柔韧性和可塑 性，制造出更轻巧、更耐用的传
04
电容式加速度传感器的校准 与标定
校准方法
01
02
03
绝对校准
通过与已知准确度的标准 传感器进行比较，确定电 容式加速度传感器的准确 度。
相对校准
通过比较同一批次电容式 加速度传感器的输出，评 估传感器的性能差异。
自校准
利用传感器自身的参考模 式进行校准，通常用于实 时校准或现场校准。
标定设备与环境
温度稳定性
总结词
温度稳定性是指传感器在温度变化下，其性 能参数随温度变化的程度，通常以温度对传 感器输出的影响来衡量。
关于电容式传感器的工作原理及结构形式课件
27.01.2021
21
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞
时，经控制系统使气囊迅速充气 。
27.01.2021
22
汽车气囊对驾驶员的保护作用
27.01.2021
23
利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹
传感器安装位置
27.01.2021
27.01.2021
17
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%
27.01.2021
18
硅微加工加速度传感器原理
如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感 器，就可以测量三维方向的振动或加速度。
27.01.2021
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加速度传感器在汽车中的应用
装有传感 器的假人
气囊
加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测 得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
关于电容式传感器的 工作原理及结构形式
27.01.2021
1
第一节 电容式传感器的工作原理 及结构形式
电容传感器的基本理想公式为
CA0rA
dd
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？
27.01.2021
2
第一节 电容式传感器的工作原理
及结构形式
电容传感器的基本理想公式为
CA0rA
dd
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 ：