传感器与检测技术 第五章 电容式传感器

第5章电容式传感器

教学目标：1.知识目标：理解电容式传感器的基本概念，熟练掌握其基于平行板电容公式的工作原理。掌握变极距型、变面积型、变介电常数型三类电容式传感器的结构、特性及适用场景2.能力目标：能够根据测量需求，合理选择电容式传感器类型，并分析其性能参数。具备搭建电容式传感器基本测量电路、完成数据采集与简单处理的能力。3.价值目标：认识电容式传感器在工业测控、智能家居、航空航天等领域的重要作用，理解科技对社会发展的推动价值，增强专业认同感与社会责任感。5.1电容式传感器的工作原理与特性5.2电容式传感器的特点和设计要点5.3电容式传感器的测量电路5.4电容式传感器的应用5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类什么是电容？电容是存储电荷的电子元件，由两块导电金属极板构成，极板之间填充绝缘的电介质材料。电容的国际单位是法拉(F)，但实际应用中常用微法(μF)或皮法(pF)。充电过程放电过程和电池类似，但又和电池不同一个存电“快进快出”，一个存电“细水长流”‌。电容原理图5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类电容式传感器采用电容器作为传感元件，将各种物理量的变化转换为电容量C的变化电容元件

被测物理量电容量变化测量电路电容式传感器广泛用于压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等物理量的测量；

用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：

ε：介电常数ε0：真空中的介电常数εr：相对介电常数5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类1、变间隙的电容式传感器-d的变化2、变面积的电容式传感器-S的变化3、变介电常数的电容式传感器-ε的变化定极板d0动极板

d动极板上移设动极板未移动时极板间距为d0

1、变间隙的电容式传感器-d的变化

5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类1、变间隙的电容式传感器-d的变化

可用泰勒级数展开：

当

线性度很差5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类1、变间隙的电容式传感器-d的变化灵敏度变间隙型电容传感器在设计时要考虑满足

d<<d0的条件，且一般

d只能在极小的范围内变化。

当

为了在不被击穿的前提下提高灵敏度，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质；相对介电常数大，击穿电压高，起始距离可大大减小，可以大大提高灵敏度；一般变极距型电容式传感器在微位移测量中应用最广。5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类1、变间隙的电容式传感器-d的变化ACC1C2B

当

差动式结构d0

泰勒级数展开5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类1、变间隙的电容式传感器-d的变化ACC1C2Bd0

灵敏度为：

线性度得到改善灵敏度提高一倍

5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类2、变面积的电容式传感器-S的变化变面积型电容式传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。

（1）线位移变面积型电容式传感器

电容相对变化量为：

5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类2、变面积的电容式传感器-S的变化（2）角位移变面积型电容式传感器

电容改变量为：

5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类3、变介电常数的电容式传感器-ε的变化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几种介质的相对介电常数介质名称介质名称真空1玻璃釉3~5空气略大于138其他气体1~1.2①云母5~8变压器油2~4干的纸2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2环氧树脂3~10聚苯乙烯2.4~2.6高频陶瓷10~160聚四氟乙烯2.0低频陶瓷、压电陶瓷1000~10000聚偏二氟乙烯3~5纯净的水805.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类3、变介电常数的电容式传感器-ε的变化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用来测量液位高度

空气介电常数由变换器的基本尺寸决定的初始电容值5.1电容式传感器的工作原理与特性第5章电容式传感器5.1.1工作原理和分类3、变介电常数的电容式传感器-ε的变化电容改变量：

线性关系设极板宽度为b0，长度l，间距d0，板间无介质εr2

时：插入介质εr2

后：5.2电容式传感器的特点和设计要点第5章电容式传感器5.2.1电容式传感器的特点优点: 1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）

2.结构简单、适应性强，能承受大温差，高压力，高冲击，过载等情况。

3.动态响应好。由于带电极板间的静电引力很小，运动元件可以做的很轻，动态响应时间很短很快。

4.可以实现非接触测量、具有平均效应，输出反映的是整个区域的平均情况，而不是某个点的变化。定极板d0动极板

d缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108

。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.1电容式传感器的特点1、输出阻抗高

负载能力差“负载能力”是指传感器输出信号时，能带动后续电路（放大器、仪表）的能力。阻抗很高，水管很细负载能力差，就是传感器输出信号太“弱”，接上后续电路后，电压被拉得很低，无法正常驱动。第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.1电容式传感器的特点2、寄生电容影响大

导线摆动、温度变化、靠近的人体……都会改变寄生电容

传感器电容=你要听的那个人说话的声音寄生电容=市场里的嘈杂噪音噪声太大，根本听不清对方在说什么听不清你说什么第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.2电容式传感器的设计要点一句话总结：结构设计的目标是让电场信号“强”起来、干扰“弱”下去。一、结构设计：让“电场”乖乖听话电容小电容大措施1：增大初始电容增加极板面积、减小极板间距、用高介电常数材料（如陶瓷）CC措施2：差动结构ACC1C2Bd0定极板d0动极板

d用两个电容构成差动式，灵敏度翻倍，还能抵消温度漂移第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.2电容式传感器的设计要点一句话总结：结构设计的目标是让电场信号“强”起来、干扰“弱”下去。一、结构设计：让“电场”乖乖听话措施3：屏蔽与接地“金属屏蔽罩=给传感器穿上‘防弹衣’，外界干扰进不来”二、材料选择：选对“衣服”很重要不同材料的对比空气陶瓷薄膜要稳定选空气，要灵敏选陶瓷，要柔性选薄膜第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.2电容式传感器的设计要点一句话总结：结构设计的目标是让电场信号“强”起来、干扰“弱”下去。三、引线与连接：信号传输像喜欢简单，不喜欢复杂引线越短，干扰越少；能集成就别连线四、测量电路：把小声音变成大嗓门传感器像个声音很小的歌手，你得给她配个好麦克风（高阻抗输入），还得把背景噪音滤掉（差动放大），才能听清她唱的是什么第5章电容式传感器5.2电容式传感器的特点和设计要点5.2.2电容式传感器的设计要点一句话总结：结构设计的目标是让电场信号“强”起来、干扰“弱”下去。五、环境适应性：别让她“感冒”或“受惊吓”温度补偿密封防潮结构要差动，引线要缩短，

屏蔽要做好，电路要高阻，

材料看用途，环境要补偿。总结电容式传感器的设计，就是一门“让微弱的电场信号在嘈杂环境中精准传递”的艺术。

第5章电容式传感器知识回顾+作业5.1电容式传感器的工作原理与特性5.2电容式传感器的特点和设计要点特点：输出阻抗高，寄生电容强

1、变间隙的电容式传感器-d的变化2、变面积的电容式传感器-S的变化3、变介电常数的电容式传感器-ε的变化结构要差动，引线要缩短，屏蔽要做好，电路要高阻，材料看用途，环境要补偿。设计要点：电容式传感器的设计，就是一门“让微弱的电场信号在嘈杂环境中精准传递”的艺术。第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.1调频电路在调频电路中，电容式传感器被作为振荡器谐振回路的一部分；当输入量导致电容量C发生变化时，振荡器的振荡频率f

就会相应地发生变化；

加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，从而可以经过放大后用仪器指示或记录仪记录下来；第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.1调频电路调频振荡器的振荡频率为：

振荡回路的电感

★1.

较高的灵敏度

2.数字仪器测量

3.抗干扰能力强

4.发送接收，遥测遥控第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.2运算放大器式电路运算放大器的放大倍数非常大，输入阻抗也很高，非常适合用作电容式传感器的测量电路；第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.2运算放大器式电路根据运算放大器的工作原理可得：

第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.3二极管双T型交流电桥第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路将电容量转化成电压（电流）的电路称之为电容式传感器的转换电路。目前较常用的有调频电路，运算放大器电路，双T形电桥电路等。5.3.3二极管双T型交流电桥交流电正半周负半周二极管二极管就像一个单向阀门——只允许电流从一个方向通过，反方向则截止。Χゝ第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路5.3.3二极管双T型交流电桥

+-+-+-I1+-I2+-第5章电容式传感器5.3电容式传感器的测量电路5.3.3二极管双T型交流电桥

第5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用弯曲变形位移振动被测物振动电容式传感器

变极距型变面积型1、电容式位移传感器第5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用

C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用C1C2工作极板轧辊被测带材2、电容式厚度传感器第5章电容式传感器5.4