电容式传感器

关于电容式传感器第1页，共62页，星期日，2025年，2月5日概述

电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器第2页，共62页，星期日，2025年，2月5日概述

电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度第3页，共62页，星期日，2025年，2月5日第4页，共62页，星期日，2025年，2月5日概述

电容式传感器电容式传感器的特点是：小功率、高阻抗;本身发热影响小;

电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;

静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；可进行非接触测量。

传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。第5页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器(ε)第6页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容传感器声波测量动画演示第7页，共62页，星期日，2025年，2月5日变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)第8页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.2变极距型电容传感器第9页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.2变极距型电容传感器—基本特性若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有当

时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度1、第10页，共62页，星期日，2025年，2月5日①为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但——d0过小易引起电容器击穿或短路。②电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围③此类电容传感器仅适于微小位移的测量

(0.01um～数百微米)。6.1.2变极距型电容传感器—基本特性结论怎么办呢？第11页，共62页，星期日，2025年，2月5日一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，图6-3放置云母片的电容器云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。6.1.2变极距型电容传感器—双介电层第12页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.2变极距型电容传感器—灵敏度/非线性1.灵敏度（变极距型）2.非线性（忽略了线性及以上高次项）泰勒展开非线性误差：第13页，共62页，星期日，2025年，2月5日目的：

1.提高灵敏度

2.减小非线性误差非线性误差：灵敏度：6.1.2变极距型电容传感器—差动平板式第14页，共62页，星期日，2025年，2月5日第15页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.3变面积型电容传感器第16页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.3变面积型电容传感器图5-6电容式角位移传感器原理图6-6图6-5变面积型电容式传感器原理图第17页，共62页，星期日，2025年，2月5日变面积型电容传感器的优点是:

输出与输入成线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。第18页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.4变介质型电容式传感器1)圆筒形电容器的电容为：其中x为覆盖的长度第19页，共62页，星期日，2025年，2月5日变介电常数电容式传感器原理动画演示6.1.4变介质型电容式传感器第20页，共62页，星期日，2025年，2月5日柱式7电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度6-7第21页，共62页，星期日，2025年，2月5日第22页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.1.4变介质型电容式传感器平板式8电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。2)测量介质的厚度（介质可移动）第23页，共62页，星期日，2025年，2月5日小结变极距型变面积型变介质型电容式传感器单管差分式灵敏度K非线性误差或测液体高度、纸张厚度、非导电固体湿度第24页，共62页，星期日，2025年，2月5日三种电容式传感器比较表第25页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小、变化更小（PF级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。常采用：1.调频电路2.运算放大器式电路3.脉冲宽度调制电路4、电桥电路第26页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.1调频电路11特点：转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差,可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后,进行补偿。6-9第27页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.2运算放大器式电路运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）特点：1.输出电压与极板距离d成正比2.要求Zi及放大倍数足够大3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难图6-10运算放大器式电路原理图第28页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.3脉冲宽度调制电路C1充电,VF。当VF>Uc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。C2充电,VG。当VG>Uc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。C1和C2为差动电容第29页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.3脉冲宽度调制电路uAuBuABtttU1U1U0000T10UcuFtT20UcuGt输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直流输出电压Uo,值为A、B两点电压平均值uA与uB之差，即式中:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。第30页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.3脉冲宽度调制电路设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时,有直流输出电压uAB与极距变化量成正比。或第31页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.3脉冲宽度调制电路对于差动式变极距型电容式传感器,

对于差动式变面积型电容式传感器,(6-29)(6-30)第32页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.2.4电桥电路交流电桥的多种形式第33页，共62页，星期日，2025年，2月5日

变压器电桥电路第34页，共62页，星期日，2025年，2月5日

缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：

优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系

转化为位移与输出电压的线性关系。可得：第35页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容式传感器的优点：(1)输入能量小而灵敏度高。(2)精度高达0.01%。(3)动态特型好，适合测量动态参数。(4)能量损耗小。(5)结构简单，环境适应性好(高温、辐射等)缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等——降低分布电容影响。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。6.3电容式传感器的应用第36页，共62页，星期日，2025年，2月5日第37页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容式传感器的应用举例1.电容式料位计

用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：

电容测深度、角度第38页，共62页，星期日，2025年，2月5日高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图第39页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容式传感器的应用举例

．电容式压力传感器

电容式传感器

电容传感器盒膜结构片P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1第40页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容式传感器的应用举例

电容式压力传感器

结构：测量膜片（金属弹性膜片）——动片；两个玻璃球面上镀有金属——定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，第41页，共62页，星期日，2025年，2月5日电容式传感器的应用举例

电容式压力传感器

当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：

PH>PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2，；

PH<PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化第42页，共62页，星期日，2025年，2月5日第43页，共62页，星期日，2025年，2月5日各种电容式差压变送器外形图第44页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.3电容式传感器的应用（2）加速度传感器6-121第45页，共62页，星期日，2025年，2月5日硅微加工加速度传感器原理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）第46页，共62页，星期日，2025年，2月5日硅微加工电容加速度传感器第47页，共62页，星期日，2025年，2月5日微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g

量程：10g

频率范围：0.5-2000Hz

安装谐振点:8kHz

分辨力：0.00004g

重量：200g

安装螺纹：M5mm

线性误差：≤1%第48页，共62页，星期日，2025年，2月5日加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊第49页，共62页，星期日，2025年，2月5日汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。第50页，共62页，星期日，2025年，2月5日利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置第51页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.3电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器第52页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.3电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器19第53页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.3电容式传感器的应用（4）图6-13电容式传声器第54页，共62页，星期日，2025年，2月5日6.3电容式传感器的应用（4）电容式传声器第55页，共62页，星期日，2025年，2月5日齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率计显示代表转速。设齿数为z,频率为f,则转速为6.3电容式传感器的应用（5）1—齿轮2—定级3—电容式传感器4—频率计第56页，共62页，星期日，2025年，2月5日陶瓷