电容式传感器ppt课件
合集下载
电容式传感器的工作原理和结构课件
精度和稳定性
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
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
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
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 ＋
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
电容式传感器的工作原理及结构形式课件
新技术
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
05
电容式传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而 电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿 度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。 而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化， 改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量 的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板 的影响，从而检测加速度的变化。这种传感 器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领 域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的 影响，从而检测温度的变化。这种传感器广 泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的 影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单 ，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数 。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间 保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时， 传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化， 可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来 检测物理量，而电容式传感器则是通过 测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场 变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（ 如磁场、电流等）。而电容式传感器则是 利用电容器极板间电介质的变化，改变电 容器极板间的距离或相对面积，从而引起 电容量的变化，实现对物理量的检测。
引入新型制造工艺、纳米技术等，优化传感器结构和制造过程，降低成本和提高产量。
05
电容式传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器与电阻式传感器的比较
总结词
电阻式传感器通过测量电阻的变化来检测物理量，而 电容式传感器则是通过测量电容量变化来实现。
详细描述
电阻式传感器利用电阻随环境变化（如温度、压力、湿 度等）的特性，通过测量电阻值的变化来检测物理量。 而电容式传感器则是利用电容器极板间电介质的变化， 改变电容器极板间的距离或相对面积，从而引起电容量 的变化，实现对物理量的检测。
加速度测量
电容式传感器通过测量加速度对电容器极板 的影响，从而检测加速度的变化。这种传感 器广泛应用于汽车安全气囊、碰撞测试等领 域。
其他应用领域
温度测量
电容式传感器通过测量温度对电容器极板的 影响，从而检测温度的变化。这种传感器广 泛应用于温度控制和监测领域。
湿度测量
电容式传感器通过测量湿度对电容器极板的 影响，从而检测湿度的变化。这种传感器广
平行板型电容传感器
总结词
平行板型电容传感器是最基本的电容式传感器，其结构简单 ，易于制造，灵敏度高，适用于测量微小位移和压力等参数 。
详细描述
平行板型电容传感器由两个平行、相对的金属板组成，其间 保持恒定的距离。当被测物体靠近或插入两金属板之间时， 传感器的电容值会发生变化，通过测量这个电容值的变化， 可以获得被测物体的位移或压力等信息。
电容式传感器与霍尔传感器的比较
总结词
霍尔传感器通过测量霍尔电压的变化来 检测物理量，而电容式传感器则是通过 测量电容量变化来实现。
VS
详细描述
霍尔传感器利用霍尔效应，通过测量磁场 变化引起的霍尔电压变化来检测物理量（ 如磁场、电流等）。而电容式传感器则是 利用电容器极板间电介质的变化，改变电 容器极板间的距离或相对面积，从而引起 电容量的变化，实现对物理量的检测。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0s0 C 01 //0 0
式 传
C 1
C 0
0
1
0
感 器
CC 0 0 1 0 0 2
器
度，4是平面电极，可用 于一些不能在内部插入电
容探头的容器内的液位测
量，如搅拌器。
.
10
2、电容式料位传感器
电
➢电容式料位变送器探头与容 容 器壁形成一个电容器。
式
➢电容极板（探头与容器壁） 的表面积、两极板之间的距离
传 及被测物料的介电常数决定电 容量的大小。
感 ➢当探头固定安装于容器端面
器
后，被测物料的介电常数不变 时，电容值仅取决于被测物料
容 大角位移及直线位移的测量。
▪一般情况下，变截面积型电
式 容式传感器常做成圆柱形 。
传
感
器
.
5
3、变介电常数电容传感器 电 ▪这种传感器大多用于测量电介质的厚度
容
(图a)、位移(图b)、液位(图c)。 ▪可根据极板间介质的介电常数随温度、
式 湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、
传
湿度、容量(图d)等。
的高度，并与物位成正比。
.
11
分段电容式物位计
电
容 式 传 感 器
可以确定物料到达的位置，
属于非连续测量。
.
12
3、非接触电容式位移传感器
电
容
式
传
感
器
•
非接触电容位移传感器可测量导体和绝缘体的位置 和移动参数，称为接近觉传感器。
• 对于导体：主电极为发射电极，被测物体为接受电
极，次电极为保护环（驱动电极），与主电极同电
入传感器间隙中，都将.影响测量结果。
14
电
容
移动、位移
式
位置、膨胀
振动、偏心 位置、膨胀
冲击、变形 轴向窜动
弯曲、波动 变形
传
感
器
偏心（同轴度）
阀门位移 活塞移动
压缩机叶片 间隙、转速
厚度、轮廓
电容位移传感器的应用实例
.
15
电容式接近开关
电
结构：测量头通常是构成电容 容 器的一个极板，而另一个极板
8
三、应用
电 ➢ 测液位、测物位 ➢ 测微位移
容 ➢ 测压力、力、加速度等
式 1、液位测量
传 ✓1-部分或整体绝缘的棍电极；
✓3、4-拉紧或放松的绳电极：
感 如果容器壁由导电材料制成，则只需装入
电极1、3或4，容器壁作为另一电极与外壳
器
相连（接地）。 ✓如果容器壁由非金属材料制成，需一个
电极5配对，或用有内外电极的管式电极2
感
器
.
6
B、按结构分类
电
单体式
容 平板式
式
差动式
传
单体式
圆柱、圆筒式
感
差动式
器
C 2 r 0l
ln R
.
r
C r 0A
d
7
其他结构： 电
L
容
式
a
C r 0 L ln b
a
(b>>a)
两根导线之间的电容
b
传
感
L器Βιβλιοθήκη x1x2x3
x4
x
d 存在屏蔽时同一平面上两 电极之间的电容
C0rLlnssiin n2 2h hd d(([[.xx12 xx33))c]c] ooss22dd hh((x[x[2 1 xx4 4))]]
电
被测物 理 ,S量 ,C
容
测量 电 U、 路 I、 f
式 思考: 电容传感器能测哪些物理量?
传 主要优、缺点：
感
优点：1）分辨率高；2）动态特性好；3）对被测构 件影响小；4）体积小；易于实现非接触测试；
器 5）检测头结构简单；环境适应性较强，可以在恶劣
环境下（高温、辐射、振动）工作。
缺点：1）量程小；2）输出阻抗高；3）易受分布
电
第5章 电容式传感器
容
➢工作原理、分类及应用
式
➢主要特性参数
传
➢典型测量电路
➢电容式传感器的结构设计、温度影响
感
及抗干扰措施
器
.
1
电 §5·1 工作原理、分类及应用
容 一、基本工作原理
式
传 平板式电C容 ： s
感
δ
器 ε：介质介电常数
s ：极板面积
δ：极板间距离 .
s ε
2
一般 C： f(S,,)
➢ 高输出阻抗和分布电容使其易受干扰。
➢ 变间隙型量程小，线性差。
.
20
§5.2 主要特性
电 一、特性曲线、灵敏度、非线性
容
1、变间隙式：
式
传
电容 C： Sr0S
δ s
ε
感
器
ε ：极板间介质介电常数 ε0：真空介电常数
εr：极板间介质相对介电常数
δ ：极板间距离
S ：极板面积
.
定极 板 动极 板
式 是物体本身。
传
与电容式位移传感器的不同之 处：
感 输出开关量。
器
.
16
电容式非金属材料厚度测量
电
容
式
传
感
器
原理：变等效介电常数
特点：非接触式测量
应用：纸张、. 绝缘薄膜等
17
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
18
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
19
特点
电 ➢ 高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的
分辨率和灵敏度。
容 ➢ 输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量
就能改变电容极板的位置。
式 ➢ 电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定 。
传 ➢ 动态特性好： 活动零件少、质量小、固有频率高。
➢ 结构简单，环境适应性好：可以在振动、辐射环境下
感
工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。
器
➢缺点：
位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传
感器的特性。
.
13
电
发射电极
容 驱动电极
式
传
接收电极
感 对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为
器
发射电极，外侧的防护环为接受电极；次电极为保 护环（驱动电极），与发射电极同电位；电力线必
须跨过驱动电极才能到达接受电极，因而扩大了测
量范围。
使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进
21
灵敏度分析：
电
容
kCSC 2
式
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵
传 敏度愈高。
感
▪电容C与极板间距δ呈非线性关系。 ▪初始极板间距过小容易引起电容器击穿或短路---
器 -解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、 塑料膜等）。
▪适合于微位移的测量。
进一步分析：
.
22
电 容
CCC 00 s0s 非线性分析：
电容影响。
.
3
二、分类
电 A、按工作原理分类
容
1、变间隙电容传感器 • 两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两
式
极板在被测参数作用下产生相对位移，引起
电容值变化。
传
• 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：
感
0.01微米）。
器
.
4
2、变面积电容传感器
电
常用的有角位移型和线位移型 两种。
▪与变间隙型相比，适用于较
。
✓测量原理:电容器的上部为空气，下部为
液体。液位变化时，电容器的电容变化值
ΔC与被测材料的液位高度x成线性. 关系。
配对电极 双电极
9
液位监控:
电 ✓不需要探头的电容值在
整个高度范围内线性变化， 容 而是希望液位在达到极限
式
位置时开关量输出发生变 化。
传 ✓l和2是棍电极或绳电极，
3是侧面安装的棍电极， 感 倾斜安装可提高测试灵敏
式 传
C 1
C 0
0
1
0
感 器
CC 0 0 1 0 0 2
器
度，4是平面电极，可用 于一些不能在内部插入电
容探头的容器内的液位测
量，如搅拌器。
.
10
2、电容式料位传感器
电
➢电容式料位变送器探头与容 容 器壁形成一个电容器。
式
➢电容极板（探头与容器壁） 的表面积、两极板之间的距离
传 及被测物料的介电常数决定电 容量的大小。
感 ➢当探头固定安装于容器端面
器
后，被测物料的介电常数不变 时，电容值仅取决于被测物料
容 大角位移及直线位移的测量。
▪一般情况下，变截面积型电
式 容式传感器常做成圆柱形 。
传
感
器
.
5
3、变介电常数电容传感器 电 ▪这种传感器大多用于测量电介质的厚度
容
(图a)、位移(图b)、液位(图c)。 ▪可根据极板间介质的介电常数随温度、
式 湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、
传
湿度、容量(图d)等。
的高度，并与物位成正比。
.
11
分段电容式物位计
电
容 式 传 感 器
可以确定物料到达的位置，
属于非连续测量。
.
12
3、非接触电容式位移传感器
电
容
式
传
感
器
•
非接触电容位移传感器可测量导体和绝缘体的位置 和移动参数，称为接近觉传感器。
• 对于导体：主电极为发射电极，被测物体为接受电
极，次电极为保护环（驱动电极），与主电极同电
入传感器间隙中，都将.影响测量结果。
14
电
容
移动、位移
式
位置、膨胀
振动、偏心 位置、膨胀
冲击、变形 轴向窜动
弯曲、波动 变形
传
感
器
偏心（同轴度）
阀门位移 活塞移动
压缩机叶片 间隙、转速
厚度、轮廓
电容位移传感器的应用实例
.
15
电容式接近开关
电
结构：测量头通常是构成电容 容 器的一个极板，而另一个极板
8
三、应用
电 ➢ 测液位、测物位 ➢ 测微位移
容 ➢ 测压力、力、加速度等
式 1、液位测量
传 ✓1-部分或整体绝缘的棍电极；
✓3、4-拉紧或放松的绳电极：
感 如果容器壁由导电材料制成，则只需装入
电极1、3或4，容器壁作为另一电极与外壳
器
相连（接地）。 ✓如果容器壁由非金属材料制成，需一个
电极5配对，或用有内外电极的管式电极2
感
器
.
6
B、按结构分类
电
单体式
容 平板式
式
差动式
传
单体式
圆柱、圆筒式
感
差动式
器
C 2 r 0l
ln R
.
r
C r 0A
d
7
其他结构： 电
L
容
式
a
C r 0 L ln b
a
(b>>a)
两根导线之间的电容
b
传
感
L器Βιβλιοθήκη x1x2x3
x4
x
d 存在屏蔽时同一平面上两 电极之间的电容
C0rLlnssiin n2 2h hd d(([[.xx12 xx33))c]c] ooss22dd hh((x[x[2 1 xx4 4))]]
电
被测物 理 ,S量 ,C
容
测量 电 U、 路 I、 f
式 思考: 电容传感器能测哪些物理量?
传 主要优、缺点：
感
优点：1）分辨率高；2）动态特性好；3）对被测构 件影响小；4）体积小；易于实现非接触测试；
器 5）检测头结构简单；环境适应性较强，可以在恶劣
环境下（高温、辐射、振动）工作。
缺点：1）量程小；2）输出阻抗高；3）易受分布
电
第5章 电容式传感器
容
➢工作原理、分类及应用
式
➢主要特性参数
传
➢典型测量电路
➢电容式传感器的结构设计、温度影响
感
及抗干扰措施
器
.
1
电 §5·1 工作原理、分类及应用
容 一、基本工作原理
式
传 平板式电C容 ： s
感
δ
器 ε：介质介电常数
s ：极板面积
δ：极板间距离 .
s ε
2
一般 C： f(S,,)
➢ 高输出阻抗和分布电容使其易受干扰。
➢ 变间隙型量程小，线性差。
.
20
§5.2 主要特性
电 一、特性曲线、灵敏度、非线性
容
1、变间隙式：
式
传
电容 C： Sr0S
δ s
ε
感
器
ε ：极板间介质介电常数 ε0：真空介电常数
εr：极板间介质相对介电常数
δ ：极板间距离
S ：极板面积
.
定极 板 动极 板
式 是物体本身。
传
与电容式位移传感器的不同之 处：
感 输出开关量。
器
.
16
电容式非金属材料厚度测量
电
容
式
传
感
器
原理：变等效介电常数
特点：非接触式测量
应用：纸张、. 绝缘薄膜等
17
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
18
其他应用
电
容 式 传 感 器
.
19
特点
电 ➢ 高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的
分辨率和灵敏度。
容 ➢ 输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量
就能改变电容极板的位置。
式 ➢ 电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定 。
传 ➢ 动态特性好： 活动零件少、质量小、固有频率高。
➢ 结构简单，环境适应性好：可以在振动、辐射环境下
感
工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。
器
➢缺点：
位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传
感器的特性。
.
13
电
发射电极
容 驱动电极
式
传
接收电极
感 对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为
器
发射电极，外侧的防护环为接受电极；次电极为保 护环（驱动电极），与发射电极同电位；电力线必
须跨过驱动电极才能到达接受电极，因而扩大了测
量范围。
使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进
21
灵敏度分析：
电
容
kCSC 2
式
▪灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵
传 敏度愈高。
感
▪电容C与极板间距δ呈非线性关系。 ▪初始极板间距过小容易引起电容器击穿或短路---
器 -解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、 塑料膜等）。
▪适合于微位移的测量。
进一步分析：
.
22
电 容
CCC 00 s0s 非线性分析：
电容影响。
.
3
二、分类
电 A、按工作原理分类
容
1、变间隙电容传感器 • 两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两
式
极板在被测参数作用下产生相对位移，引起
电容值变化。
传
• 变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：
感
0.01微米）。
器
.
4
2、变面积电容传感器
电
常用的有角位移型和线位移型 两种。
▪与变间隙型相比，适用于较
。
✓测量原理:电容器的上部为空气，下部为
液体。液位变化时，电容器的电容变化值
ΔC与被测材料的液位高度x成线性. 关系。
配对电极 双电极
9
液位监控:
电 ✓不需要探头的电容值在
整个高度范围内线性变化， 容 而是希望液位在达到极限
式
位置时开关量输出发生变 化。
传 ✓l和2是棍电极或绳电极，
3是侧面安装的棍电极， 感 倾斜安装可提高测试灵敏