电容式传感器
电容式传感器原理
电容式传感器原理引言电容式传感器是一种常用的传感器技术，通过测量电容的变化来检测物体的位置、压力、湿度、液位等参数。
本文将详细介绍电容式传感器的原理和工作原理。
一、电容的基本原理电容是指两个导体之间的电荷储存能力。
当两个导体之间存在电压时，会形成一个电场。
电场的强度与电压成正比，与导体之间的距离成反比。
而电容的大小与电场强度和导体之间的距离成正比。
二、电容式传感器的结构电容式传感器一般由两个平行板组成，两个平行板之间被填充了绝缘介质。
其中一个平行板是固定的，另一个平行板可以移动。
当外界物体接近或远离传感器时，移动平行板的位置会发生变化，从而改变了两个平行板之间的距离，进而改变了电容的大小。
三、电容式传感器的工作原理当电容式传感器的两个平行板之间的距离发生变化时，电容的大小也会发生变化。
这是因为两个平行板之间的距离与电容的大小成正比。
当物体靠近传感器时，移动平行板会受到作用力，从而使两个平行板之间的距离变小，电容增大。
当物体远离传感器时，移动平行板会受到另一作用力，使两个平行板之间的距离变大，电容减小。
四、电容式传感器的应用1. 位置检测：电容式传感器可以用来检测物体的位置。
通过测量电容的变化，可以确定物体与传感器之间的距离，从而确定物体的位置。
2. 压力检测：电容式传感器可以用来检测物体的压力。
当物体施加压力时，会改变传感器两个平行板之间的距离，进而改变电容的大小。
3. 液位检测：电容式传感器可以用来检测液体的液位。
当液体的液位改变时，会改变传感器两个平行板之间的距离，进而改变电容的大小。
4. 湿度检测：电容式传感器可以用来检测环境的湿度。
湿度的变化会改变绝缘介质的电导率，从而改变电容的大小。
5. 触摸屏：电容式传感器广泛应用于触摸屏技术中。
触摸屏上覆盖了一个电容板，当手指触摸屏幕时，会改变电容板与传感器之间的距离，从而改变电容的大小。
总结电容式传感器是一种常用的传感器技术，通过测量电容的变化来检测物体的位置、压力、湿度、液位等参数。
第7章 电容式传感器
2．变面积式电容传感器
变面积式电容传感器有三种类型的变面积传感器。
图7-5是平板直线位 移式电容传感器，上 极板是可以左右移动 的动极板，下极板是 固定不动的定极板。
图7-6是电容角位移式 传感器，动极板的轴由 被测物体带动而旋转一 个角位移θ度时，两极 板的遮盖面积S减小， 因而电容量C也随之呈 线性关系减小。
1、 结构
电容式接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容器， 如图7-20所示，从图中可以看到，检测极板设置在接近开 关的最前端，测量转换电路安装在接近开关的壳体内，并 用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。
2、工作原理
图7-21所示是调幅式测量转换电路。它由LC高频振荡 电路、检波器、直流电压放大器等组成。
图7-11所示即为调频原理框图。
3．运算放大器式测量电路
图7-12是一理想运算放大器式的测量电路，其理想运算放 大器输出电压与输入电压之间的关系为
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u0 与电容式传感器的极距d成 正比，使基本变极距式电 容传感器的输出特性具有 线性特性。
➢ 接近开关又称为无触点行程开关，本章介绍了接近开关的结构 和工作原理，并分析了电容式接近开关的结构、工作原理和应 用。
1．变极距式电容传感器
电容量C与极板距离d成反比，当图7-3中动极板在被测参
量的作用下发生位移时，改变了极距d的大小，从而使极
板之间的电容大小发生变化。电容的初始值为
，
当动极板在被测参量的作用下发生位移，使极距d减小了
Δd，则电容C将增加ΔC，当Δd<<d时，有
C
S(1 d
d d
)
C0
电容式传感器ppt课件
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
第三章 电容式传感器
C d 2 C0 d0 非线性误差为： d 3 2 d0 d r 100% 100% d d0 d0
减小
C C0 A 2 2 2 灵敏度： S d d0 d0
提高一倍
18
差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减 小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所 造成的误差。
弹性体
绝缘材料 定极板
极板支架
动极板
36
在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行 的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每
个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电
路上各电容是并联的， 因而输出反映的结果 是平均作用力的变化， 测量误差大大减小 F
（误差平均效应）
电容式称重传感器
T1 T2 UA U 1 ，U B U1 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —C1和C2充电至Ur的所需时间； U1—触发器输出的高电位。
29
C1、C2的充电时间T1、T2为：
U1 T1 R1C1 ln U1 U r U1 T2 R2C2 ln U1 U r
0 A
dg
g
d0
云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于 1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。 有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输 出特性的线性度得到改善。
12
13
14பைடு நூலகம்
差动电容式传感器
定极板 动极板 C1 d1 C2 d2 定极板
15
初始位置时，
3
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三 种类型。
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式传感器是一种常见的传感器类型，利用物体与电极之间的电容变化来测量物体的位置或运动。
它们通常用于测量机器人的位置、汽车的悬挂位置以及其他需要精准测量的应用中。
电容式传感器的原理是通过测量电容器的电容来测量物体位置
或运动。
电容器由两个平板电极组成，它们之间有一定的距离。
当两个电极之间有一个物体时，它会对电容器的电容产生影响。
具体来说，物体与电极之间的距离越近，电容器的电容就越大。
反之，距离越远，电容就越小。
为了测量电容值，电容式传感器通常会将电容器连接到一个电荷放大器。
这可以放大电容值的变化，并将其转换为电压或电流信号。
这些信号可以被读取并用于计算物体的位置或运动。
电容式传感器的优点是它们可以提供非常高的精度和重复性。
此外，它们可以快速响应变化，并且可以在广泛的温度范围内工作。
然而，电容式传感器也有一些限制，例如对电极之间的距离的限制以及受到电磁干扰的影响。
总之，电容式传感器是一种强大的工具，可以用于许多精密测量应用。
它们可以提供高精度的测量结果，并且可以在广泛的应用中使用，从机器人到汽车悬架。
- 1 -。
电容式传感器原理
电容式传感器原理电容式传感器是一种利用电容变化来感知物理量的传感器。
它通常由两个电极和介质组成，当介质中的物理量发生变化时，电容器的电容也会发生相应的变化。
这种传感器可以用于测量压力、温度、湿度等多种物理量，具有灵敏度高、精度好、响应速度快等优点，因此在工业控制、医疗设备、汽车电子等领域得到了广泛的应用。
电容式传感器的原理主要基于电容的计算公式，C=ε0εrA/d，其中C为电容值，ε0为真空介电常数，εr为介质的相对介电常数，A为电极面积，d为电极间距。
当介质中的物理量发生变化时，介电常数εr或电极间距d会发生变化，从而导致电容值C的变化。
通过测量电容值的变化，就可以间接地得到介质中的物理量变化情况。
电容式传感器的工作原理可以简单分为以下几个步骤：1. 电极和介质之间形成电场，在电容式传感器中，两个电极之间通过介质形成电场，介质的介电常数决定了电场的强度。
2. 物理量作用导致介质参数变化，当介质中的物理量发生变化时，介质的参数，如介电常数或电极间距等，会发生相应的变化。
3. 电容值变化，介质参数的变化导致电场的变化，进而引起了电容值的变化。
4. 电容值转化为电信号，通过电容测量电路将电容值转化为电信号，进而传输到数据采集系统进行处理和分析。
在实际应用中，电容式传感器可以通过不同的结构和工作原理来实现对不同物理量的测量。
例如，压力传感器中，压力的作用会使得介质的压缩变化，从而改变电容值；而湿度传感器中，介质中的水分含量变化会导致介电常数的变化，进而影响电容值。
通过合理设计传感器结构和选用合适的介质，可以实现对不同物理量的高灵敏度、高精度的测量。
除了上述的工作原理，电容式传感器还具有许多优点。
首先，它具有较高的灵敏度，能够对微小的物理量变化做出快速响应；其次，由于电容值可以通过简单的电路测量得到，因此电容式传感器具有较高的测量精度；此外，电容式传感器的结构简单，制造成本较低，易于批量生产和应用。
然而，电容式传感器也存在一些局限性。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理电容式传感器是一种常用的传感器，它利用电容的变化来检测目标物体的位置、形状或者其他特性。
电容式传感器的工作原理基于电容的基本性质，通过改变电容器之间的电场来实现测量。
在本文中，我们将详细介绍电容式传感器的工作原理及其应用。
电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现的。
电容是指两个导体之间的电荷储存能力，它与导体之间的距离和面积成正比，与介质的介电常数成反比。
当目标物体接近或远离电容器时，导致电容器之间的距离或介质的介电常数发生变化，从而导致电容的变化。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器通常由两个导体电极和一个介电材料组成。
当目标物体接近或远离电容器时，导致电容器之间的距离或介质的介电常数发生变化，从而导致电容的变化。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器具有灵敏度高、精度高、响应速度快、结构简单等优点，因此在工业自动化、汽车电子、医疗器械、家用电器等领域得到了广泛的应用。
例如，在工业自动化中，电容式传感器可以用来检测物体的位置、形状，从而实现自动化生产线的控制；在汽车电子中，电容式传感器可以用来检测车辆的液位、压力等参数，从而实现车辆的智能控制；在医疗器械中，电容式传感器可以用来监测患者的生理参数，从而实现医疗设备的精准控制。
总之，电容式传感器是一种常用的传感器，它利用电容的变化来检测目标物体的位置、形状或其他特性。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器具有灵敏度高、精度高、响应速度快、结构简单等优点，在工业自动化、汽车电子、医疗器械、家用电器等领域得到了广泛的应用。
电容式传感器
电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。
电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。
最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。
[1]中文名；电容式传感器；外文名capacitive type transducer电容计算公式：εS/d应用：测量简介70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。
当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。
但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。
测知电信号的大小，可判断被测量的大小。
这就是电容式传感器的基本工作原理。
[2]分类根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。
- 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)。
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
因此应尽量消除和减小它。
★具体措施有：
①减小极间距（适当），使极径与间距比很大， 可减小边
2、变面积型板状线位移传感器 如图5-7所示，当动极板沿箭头所示的方向移动x时，其电容
量为
Cx
bl
d0
x
C
0
1
x l
传感器的灵敏度为
K d小d0，可提高灵敏度，但是b 值的增大受结构的限制。
而d值也不可能太小，否则有可能引起电容的击穿或短路，同 时加工难度加大。
C C0
d d0
1
d d0
d d0
2
略去非线性项，有
C d C0 d0
所以灵敏度为
K
C d
C0 d0
r
0A
1
d
2 0
在 d 条1 件下，电容的变化量△C与极板间距变化量
d0
△d近似呈线性关系。
一般取 d /d 0 0.02 ~ 0.1
略去二次方以上各项，测得
C C
d d0
1
d d0
电路假设条件：
（1）运算放大器增益非常高，输入电压若不使放大器饱和 。
（2）放大器的输入阻抗很高 。
• u
j 1
c0
I0
u•
sc
j
1
cx
Ix
I0 I x
Cx
0A
d
（3）讨论 ①输出 Usc 益 K
U sc
U
C0
0A
d
将与动极片位移d成线性关系,但由于放大器增 ，输入阻抗 Zi ，所以仍有一点非线性误差。
缘效应，但易产生击穿现象。
②使电极做得很薄。
③可以设置等位环来消除边缘效应。
d
保护环
极板
间隙
但应该指出，边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器 原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但 这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性（边缘效应将使灵敏度 下降）。 3.消除或减小寄生电容的影响
R3 Cx1
R4
Cx2 C1 K
③ 采用组合式与集成技术
六、电容式传感器的应用
例1 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用
C
C0
C1
L1
R
C2 R L2 B
例2 电容式称重传感器
F F
误差平均效应
例3 电容式压力传感器 单只变间隙型
P1
P2
P
差动式
例4 电容式加速度传感器
C1 C2
惯性原理
C1
表5-1 几种介质的相对介电常数
C
C1
C2
2πl l1 0 lnR r
2πl11
lnR r
2πl
ln R
0
r
2πl1
lnR r
1
0
传感器的灵敏度为
K
dC dl1
2π1 0 ln R r
三、 电容式传感器的等效电路
图中：C——传感器电容；
CP——寄生电容；
RP——并联损耗电阻，它包括电极间直流 电阻和气隙中介质损耗的等效电阻；
在分母中加上dy/εy这一恒定 值后，特性的线性度也得到了改 善。
C
dy
A
d0
y
（2）为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动电容式传 感器，如图5-6所示。
中间为动片，上下为定片，当动片向上移动△d时，则有 （C1、C2的初始电容用C0来表示）
C1 C0 C1
则移动△d后
d1 d0 d
3）消除边缘效应的方法：
应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极 板间距。
也可采用等位环的方法，如图5-2所示。
二、电容式传感器的结构类型及主要特性
1 结构类型 电容式传感器分为三个类型，即变极距（d）型、变面积（A）
型和变介电常数（ε）型。
三、 电容式传感器的灵敏度及非线性
1、变极距型平板电容式传感器 电容特性公式为
第五章 电容式传感器
电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量转化为 电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。
特点
★优点
①高阻抗，小功率。 ②灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。 ③良好的动态特性。 ④结构简单，适应性强。
⑤可进行非接触测量。 ⑥本身发热影响小。 ★缺点： ①变间隙电容传感器非线性较严重。 ②输出阻抗很高。
非线性误差为
( d )2
d0 ( d )
d 100% d0
d0
越d d小0 ，则 越小，即只有在
才有近似的线性输出。
d很/d小0 时（小测量范围）
讨论：
1）灵敏度K与极距d0的平方成反比。 d0越小，灵敏度越高。
d0过小，容易引起电容击 穿或短路。
采取的措施：可在极板间放 置云母片或其它介电常数高的 材料
②增加原始电容值、降低容抗； ③导线与导线要离的较远； ④尽可能一点接地。 5.尽量采用差动式电容传感器，可以减小非线性，提高灵敏度， 减小寄生电容和减小干扰。
寄生电容 消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。 消灭寄生电容的方法： ① 驱动电缆法 等电位屏蔽法
1
Cx
② 整体屏蔽法
C3 U
C4
1 jL 1
jCE
jC
CE
C
1 2 LC
四、电容式传感器的信号调理电路
电容传感器所产生的电容量很微小（几皮法到几十皮法）， 这样小的电容量不便于直接传输、记录和显示，因此，必须借 助于一定的检测电路，检测出这一微小电容变化量，并将其转 换成电压、电流或频率，以便进行显示记录，或经A/D转换后送 入计算机进行非线性补偿和数据处理。
l不能太小，否则边缘效应影响增大，引起非线性。 3、变介电常数型传感器
当电容极板之间的介 电常数发生变化时，电容 量也随之改变，根据这个 原理可构成变介电常数型 电容传感器。如图5-8所示 的电容式液位传感器就是 一种变介电常数型电容式 传感器。
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。
U sc
UZ 2 Z2 Z1
U 2
U 2
Z Z
2 2
Z1 Z1
将阻抗表达式代入上式得
U sc
U 2
C1 C1
C2 C2
当动极板移动x时，因有
C1
A
d0
x
,C2
A
d0
x
则有
U sc
U 2
x d0
2.运算放大器式电路 1）优点：改善单个变极距型电容式传感器特性的非线 性关系 2）原理：如图所示
在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学 量转换成d或 A的变化，从而转换成电容量的变化。
边缘效应： 1）边缘效应产生的原因： 2）产生的后果：边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。
3）消除边缘效应的方法： 应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极
板间距。 也可采用等位环的方法，如图所示。
1、电桥电路
电桥电路是采用最多的一种测量电路，有阻容电桥、变压器 电桥、双T电桥等。
（1）阻容电桥
C1和C2是差动电容传感器的两个电容，分别作为电桥的两个 桥臂。如果是只有一个电容C1变化的传感器，则C2应配备一固定 电容，电桥的另两个桥臂是相同的固定电阻。
振荡器产生一个等幅高频交流电压 U，加在交流电桥的AC
端，为交流电桥提供电源电压。
BD端为交流电桥的电压输出端，交流电桥的输出电压是一个 调幅的载波信号，其频率为载波频率，而幅度受被测信号的调 制，此信号经交流放大器放大和相敏检波后，得到一个与被测 信号变化规律相同的电信号，该信号最后经低通滤波器去除残 余载波得到输出电压 U sc 。
★要求电桥放大器的输入阻抗很高
1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅（下电极） 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅（上电极）