《传感器技术与应用》课件-项目3：电容式传感器

传感器技术与应用4.1电容传感器工作原理ATM专用人体接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器件,可准确探知附近人物的靠近，是目前作为防盗报警和状态检测的最佳选择。电容式接近开关采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出，直接触发报警录像。探测人体接近距离远近可调，可调节半径为(约)0-5米。对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从电阻式转移至电容式触摸屏技术。

当手指触摸在触摸屏上时，由于人体电场和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。通过电流的改变就能确定手指的具体位置。电容式触摸板(屏)及按键

电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。

电容传感器工作原理可以用平板电容说明：X电容传感器工作原理电容式传感器极距型面积型介质型

改变式中S—极板面积，称变面积型电容传感器

—极板距离，称变极距型电容传感器

—介电常数，称变介质型电容传感器其中：

—真空介电常数

—空气介质的相对介电常数近似为电容传感器工作原理和类型电容式压力变送器电容式接近开关电容器容量小(几十～几百微法)，输出阻抗高;

极板静电引力小，工作所需作用力很小；可动质量小，固有频率高，动态响应特性好；功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。电容式差压传感器电容式传感器的特点传统电容式传感器主要用于位移、角度、振动、加速度等机械量精密测量。角度测量液位测量主要应用（电容测深度、角度）现代电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。应用实例（电容测深度、角度）总结与思考小结电容传感器的工作原理；电容传感器的计算公式；电容传感器的主要类型；电容传感器的特点；电容传感器的应用实例。思考结合上述液位测量和角度测量应用案例，深入剖析其中的传感器电路原理。传感器技术与应用4.2电容传感器输出特性

用泰勒级数展开，做线性处理(忽略高次项)后，电容相对变化量与电容极板的极距变化成正比

定义电容传感器灵敏度为

1.变极距型（δ）

讨论：变极距型电容传感器灵敏度与初始极距有关要提高传感器灵敏度k0

应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；另外，初始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；非线性误差随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移，限制了测量范围；

为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。

1.变极距型（δ）

差动结构的电容特征方程式为：

差动结构的平板电容忽略高次项，电容相对变化量为

差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；非线性误差减小（多乘因子）。

结论：

1.变极距型（δ）设电容的动极板移动时C1

增加，C2

减小，且△C1=△C2

传感器（差动式）灵敏度

平板电容的初始电容值为

电容的相对变化量与位移成正比

平板变面积型电容传感器灵敏度

2.变面积型（S）

讨论：输出特性为线性关系适合大位移测量可实现直线位移、角位移测量。2.变面积型（S）变介电常数式电容传感器与传感器结构有关

3.变介电常数式（ε）分以下几种情况：测介质厚度

(纸张、薄膜厚度）_图a测介质位移（介质位置变化）_图b测介质材料（介电常数，如介质材料、液位)_图c

电容与介质参数之间关系与极距的几何尺寸有关：介电常数包括被测介质和空气介质测厚度

3.变介电常数式（ε）测量介质（ε），可设计为介电常数的测试仪器；

测位移介质的厚度和材料不变，电容与介质参数之间的关系与介质在极板中的位置有关：式中：a、b分别为平板电容的边长测介电常数ε（液位检测）通常根据容器的形状计算无介质时，容器C0为传感器静电容，中心检测电极为电容器的一个极板，外侧（或容器罐）是电容器的另一个极板。

3.变介电常数式（ε）

测液位——油量测量

3.变介电常数式（ε）总结与思考总结变极距型电容传感器的输出特性；变面积型电容传感器的输出特性；变介电常数型电容传感器的输出特性；思考预习思考电容传感器的测量电路传感器技术与应用4.3电容传感器测量电路电容传感器的等效电路包括:

传感器电容C0

；A、B两端导线分布电容Cp，Cp>C0。传输线的电感L0、电阻R（小）；极板等效漏电阻Rg；

1)电容传感器的等效电路电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。变压器式交流电桥测量系统电容传感器为两个桥臂为差动形式

代入：

交流电桥的输出电压为

2)电桥电路极板在中间位置时

将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系

2)电桥电路

动片上移时两电容分别变化为交流电桥的多种形式

2)电桥电路一个周期内负载RL

上输出电压URL与电容的差值(C1-C2)成正比。

式中：M为常数；UE

、f为电源电压幅值和频率。3)二极管双T型电路UE高频对称方波电源，D1、D2二极管，特性相同；C1、C2传感器差动电容；R1、R2为固定电阻，RL负载。一个周期内RL上的平值电压为

工作原理分析双T型电路动画

负载上电流：IL’=I1’（放电）+I2’（电源）t=t2

，UE正半周，D1导通，D2截止C1=C2时IL=IL’大小相等方向相反,一个周期内负载电阻上电压平均值为

t=t1

，UE负半周，D1截止，D2导通

负载上电流：IL=I1（电源）+I2（放电）3)二极管双T型电路t>0电路接通，C1充电至UC1=UE

；电路原理框图4）差动脉冲调宽电路电路组成A1、A2比较器；FF双稳态触发器作输出;VD1、VD2与电阻R1、R2组成充放电回路；Uf参考直流电压，与C、D电压比较;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。波形图低通输出4）差动脉冲调宽电路

式中：U1为触发器输出高电平值C1=C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1≠C2，输出平均电压U0≠0，若C1＞C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差：

T=RC若R1=R2输出电压与两个传感器电容的差值成正比

变面积型，输出与两电容的面积差值成正比

变极距型，输出与两电容的极距差值成正比

输出电压与两个充放电回路时间常数的差成正比4）差动脉冲调宽电路

输入

输出

对于单极板平板电容器传感器，输出电压U0与机械位移δ成线性关系，解决了单电容的非线性关系问题。

输出5.运算放大器式电路谐振曲线6．调频电路

调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。总结与思考总结电容传感器的几种测量电路：电桥电路、二极管双T型电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路及调频电路。思考对比这几类测量电路的特点，并思考合适的应用场合。传感器技术与应用4.4电容式传感器的应用

结构：球型、平面型差动电容传感器电容传感器盒膜片结构

1）电容式压力传感器凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P球型P弹性膜片(动电极)固定电极平面型球型结构：金属弹性膜片—动片（测量膜）；两个玻璃球面上镀有金属—定片；膜片左右两侧充满硅油。

电容传感器盒膜片结构

工作过程：两室分别承受低压PL和高压PH，硅油能将压差传递到测量膜片。

1）电容式压力传感器

当PH=PL时C1=C2；膜片处于中间位置。前极电路将这种电容变化通过电路转换，变为电压或电流的变化。当有差压作用时，测量膜片产生形变：PH>PL时，膜片向PL弯曲，C1<C2，PH<PL时，膜片向PH弯曲，C1>C2；

1）电容式压力传感器传感器基准接大气低压阀高压阀选通阀管道计示压力计计示压力计（表压），以大气为基准，测管道、箱内、罐中压力计示压力计（表压），绝对压力计，压差计。

1）电容式压力传感器工业生产自动控制中，膜片式压力计是最常用的一种，电容膜片压力传感器分为：绝对压力计：以绝对真空为基准，测量蒸发罐、反应罐中的压力；绝对压力计传感器接真空低压阀高压阀管道反应罐压差计：测两个压力的差值

1）电容式压力传感器2）电容板材在线测厚仪电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化

带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。

带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx

变化。采用变压器式输出电桥电路或用集成运放电路输出与带材厚度关系为：

2）电容板材在线测厚仪电容式称重传感器F绝缘材料定极板动极板极板支架弹性体称重3）电容传感器称重、测振动位移、加速度在弹性钢体上，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。配接调频式电路，就会引起振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码，传输到显示部分。测振动位移3）电容传感器称重、测振动位移、加速度弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m

测加速度3）电容传感器称重、测振动位移、加速度两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板；当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移；两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化，其中一个变大，另一个变小。4）电容传声器原理PC机上的麦克风是一个电容传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，由振动膜片、钢性极板、电源和负载组成。当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，完成声电转换。驻极体电容传声器大膜片电容传声器4）电容传声器原理传声器