第4章电容式传感器

传感器原理及应用

第4章电容式传感器主要内容：

4.1电容传感器工作原理

4.2电容传感器输出特性

4.3电容传感器测量电路

4.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用第4章

电容式传感器概述传感器原理及应用第4章

电容式传感器

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。目前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）角度测量液位测量传感器原理及应用第4章

电容式传感器电容式接近开关

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。传感器广泛应用于金融工商、自助银行、ATM监控人体接近报警等。内部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两部分合二为一，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；

传感器原理及应用第4章

电容式传感器电容式触摸板(屏)及按键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。2011年前，近25%的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触摸屏。

传感器原理及应用第4章

电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机

方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触摸需要系统软件的支持，所以不支持多点触摸的也有可能还是电容屏。方法二：有触摸笔的必定是是电阻屏手机方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。

传感器原理及应用第4章

电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机

电容屏触控工作方式：其触摸屏由一块四层复合玻璃屏构成，并在表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。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。这个电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。传感器原理及应用第4章

电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机

电阻屏触控工作方式：电阻触摸屏的屏体是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层导电层(ITO膜)，上面再盖有一层经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开。当手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点的XY坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作；因此这种技术必须是要使用硬物施力到屏幕上，才能获得触控效果。概述传感器原理及应用第4章

电容式传感器电容式压力变送器电容式差压传感器电容式接近开关电容式传感器的特点是：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。第4章

电容式传感器4.1电容传感器工作原理传感器原理及应用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第4章

电容式传感器4.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用改变式中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式传感器极距型面积型介质型传感器原理及应用第4章

电容式传感器变极距型电容传感器传感器原理及应用第4章

电容式传感器变面积型电容传感器传感器原理及应用第4章

电容式传感器变介质型电容传感器传感器原理及应用第4章

电容式传感器当分母<<1时，用泰勒级数展开

初始电容，极距减小△δ

时，电容量增加△C4.2电容传感器输出特性

1.变极距型（δ）传感器原理及应用第4章

电容式传感器1.变极距型（δ）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第4章

电容式传感器传感器原理及应用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。讨论：4.2电容传感器输出特性传感器原理及应用第4章

电容式传感器差动结构的电容特征方程式为：

差动结构的平板电容

设电容的动极板移动时C1增加，C2减小，且△C1=△C2

电容的总的变化量传感器原理及应用第4章

电容式传感器电容相对变化量忽略高次项，电容相对变化量为传感器（差动式）灵敏度

相对非线性误差为

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：

差动结构的平板电容

传感器原理及应用第4章

电容式传感器2.变面积型（S）

传感器原理及应用第4章

电容式传感器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当动极板移动Δx后，两极板间电容量为2.变面积型（S）

传感器原理及应用第4章

电容式传感器（平板）变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；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。第4章

电容式传感器

3.变介电常数式（ε）传感器原理及应用变介电常数式电容传感器与传感器结构有关，

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

测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d第4章

电容式传感器传感器原理及应用测厚度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介质不变，极板面积S和极距δ一定，改变介质厚度d，可设计为测厚仪器；测量介质（ε）

，可设计为介电常数的测试仪器；第4章

电容式传感器传感器原理及应用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。传感器原理及应用第4章

电容式传感器

燃油增加，hx增大，△C也增大；燃油减少，hx减少，△C也减小。

通过测量电容的大小就能知道油量的多少。测液位——油量测量传感器原理及应用第4章

电容式传感器测液位测量管道液位高度传感器原理及应用第4章

电容式传感器测液位4.3测量电路

1)电容传感器的等效电路

传感器原理及应用第4章

电容式传感器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；

低频时Xc大，L、R可忽略；高频时Xc

小，L、R不可忽略，

工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，这时相当有一LC串联电路，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小，系统无法工作。传感器原理及应用第4章

电容式传感器解决的方法:屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输；驱动电缆技术，连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。驱动电缆技术是一种等电位屏蔽方法。这一方法可在10m距离不影响传感器性能，保证电容1pF时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。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。传感器原理及应用第4章

电容式传感器由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统电容传感器两个桥臂为差动形式代入：4.3测量电路

2)电桥电路交流电桥的输出电压为第4章

电容式传感器2)电桥电路

传感器原理及应用

将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系极板在中间位置时动片上移时两电容分别变化为传感器原理及应用第4章

电容式传感器交流电桥的多种形式第4章

电容式传感器3)二极管双T型电路

传感器原理及应用

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

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。

第4章

电容式传感器传感器原理及应用工作原理分析

t>0电路接通，C1充电至UC1=UE

；双T型电路动画

3）二极管双T型电路

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）4）差动脉冲调宽电路

传感器原理及应用第4章

电容式传感器电路原理框图电路组成

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。传感器原理及应用第4章

电容式传感器波形图

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：低通输出式中：U1为触发器输出高电平值4.差动脉冲调宽电路

传感器原理及应用第4章

电容式传感器4.差动脉冲调宽电路

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5.运算放大器式电路

传感器原理及应用第4章

电容式传感器

C0固定电容，Cx传感器电容，设K为理想运放，a为虚地；设开环放大器有高的输入阻抗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6．调频电路

传感器原理及应用第4章

电容式传感器谐振曲线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。第4章

电容式传感器4.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用结构：球型、平面型差动电容传感器电容传感器盒膜片结构凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PP弹性膜片(动电极)固定电极

1）电容式压力传感器第4章

电容式传感器1）电容式压力传感器传感器原理及应用球型结构：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。

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。电容传感器盒膜片结构第4章

电容式传感器1）电容式压力传感器传感器原理及应用当PH=PL时C1=C2；膜片处于中间位置，

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；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1）电容式压力传感器传感器原理及应用第4章

电容式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：计示压力计（表压），绝对压力计，压差计。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）1）电容式压力传感器传感器原理及应用第4章

电容式传感器绝对压力计

以绝对真空为基准，测量蒸发罐、反应罐中的压力；压差计

测两个压力的差值绝对压力计传感器原理及应用第4章

电容式传感器传感器基准接大气低压阀高压阀选通阀管道传感器接真空低压阀高压阀管道反应罐计示压力计（表压）

绝对压力计

1）电容式压力传感器基准2）电容板材在线测厚仪

传感器原理及应用第4章

电容式传感器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

传感器原理及应用第4章

电容式传感器3）电容传感器称重、测振动位移、加速度

传感器原理及应用第4章

电容式传感器电容式称重传感器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。称重3）电容传感器称重、测振动位移、加速度

传感器原理及应用第4章

电容式传感器测振动位移3）电容传感器称重、测振动位移、加速度

传感器原理及应用第4章

电容式传感器弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m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。测加速度4）电容传声器原理传感器原理及应用第4章

电容式传感器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、刚性极板、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。

4）电容传声器原理传感器原理及应用第4章

电容式传感器计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。5）力平衡式加速度传感器

传感器原理及应用第4章

电容式传感器力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量等。力平衡式传感器属惯性系统，是典型的二阶机械系统，固有频率ω和阻尼比ξ决定于惯性元件的阻尼系数和弹性系数，惯性元件的传递函数为：

5）力平衡式加速度传感器

传感器原理及应用第4章

电容式传感器目前力平衡式传感器系统主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。

在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，可分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。

YZX5）力平衡式加速度传感器

传感器原理及应用第4章

电容式传感器力平衡式加速度传感器结构：M惯性元件、C1、C2位移传感器、磁力矩器、电容动片固定在质量块上。力矩器的反馈力产生与加速度有关的电流电压惯性力β-力矩器的机电偶合系数工作原理：壳体加速度当Fx（惯性力）=Fβ（反馈力）时，位移y=0。电容的差值可反映位移的大小。6）电容式料位计

第4章

电容式传感器可用于水泥、化工、罐装等检测电极为电容的一个极板，罐子外壳为电容的另一个极。传感器原理及应用Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1hxH第一项为传感器静电容为C0

SDK射频电容式物位开关由仪表和探极两部分组成。利用被测物料的介电常数与空气不同，当仓内物位发生变化时引起探极对仓壁间的电容量变化；且变化值超过设定值时，限位开关内的继电器动作，输出一个开关量达到控制／报警的目的。工业用电容式料位计射频电容式物位限位开关几种不同探极形式的限位开关工作原理如图示，两个正对的金属板形成了一个电容器。限位开关安装于仓体上时，探极和仓壁分别相当于电容器的两个极板。电容量为C=K·A·ε/d

其中：

Ｋ为系数

Ａ为极板面积

d为极板间距离

ε为极板间介质的介电常数

dSDK仪表及显示SDK测量电容是以频率f为显示在式C=K·A·ε/d中K、A、d为常数，

C决定于ε的大小ε、Ｃ、f关系为：ε↑、Ｃ↑、f↓报警点设置即动作频率的设置

技术参数工作环境：相对湿度≤98%

温度-10℃～60℃/-30℃～85℃；电源电压：AC220（1±10%）V50HzDC24V功耗：≤3W输出信号：继电器接点输出（触点容量3A/250VAC或30VDC）输出延时：内部输出延时1～3秒安装结构：一体化结构防爆标志：ExdⅡBT4过程连接：R1/R1.5管螺纹。电气连接:G1/2第4章

电容式传感器传感器原理及应用测量转换电路安装在探头内部液位检测UQK系列浮球液位控制器当液位达到高、低极限位置时，控制器输出触点开关信号，实现液位的报警或设备控制。自检式液位控制器除具备上述功能外，还可在设备运行状态下，对控制器进行自检，以确保控制器及系统安全运行。其他形式的料位计

传感器原理及应用第4章

电容式传感器伺服式液位计1、步进电机2、力传感器3、测量钢尺4、计量浮子5、机械传动部件6、智能电路基本组成部分主要部件—计量浮子多功能浮子：用来感受介质产生的浮力。根据需要在浮子内装入压力传感器、温度传感器、水位检测器、超大规模集成电路、电容元件等；本浮子采用电容充电方式为检测电路提供能量，每次通讯时由液位计对电容进行充电。根据需要与液位计无线通讯。工作原理—液位测量测得浮子在空气中重力F空和在介质中的浮力F油。计算设定值（F空－F油）/2

步进电机转动使浮子到达设定值对应的位置。通过测量钢带测出此位置的数值。

工作原理—密度测量采用浮子内安装的压力变送器测量密度。

P=ρSL

P

某深度测得的压力

S

接受压力的面积

L

测量点深度浮子停在特定的位置并测量浮子的重量F油。知道浮子的体积V，在空气中的重量F空，在此特定位置的相对密度就可以被计算出来。

ρ=（F空－F油）/V

工作原理—温度、压力测量液位计将浮子从液位提到复位点，浮子接收到读综合参数的命令后向液位计发送校验正确命令，液位计根据预先约定在确定的时间内浮子下降到固定高度。当约定的时间到后，浮子内CPU读取一次压力和温度的数据并保存在内存中。当一次定时结束后浮子继续下降到另一个位置，浮子内CPU在预