第3单元 电容式传感器
3.1 电容式传感器的工作原理类型及特点 3.2 电容式传感器的测量电路及应用 习题
请你思考


试举例你身边的小距离非接触测量的电容式传感 器。 电容式传感器可否替代应变片式传感器，制成称 重设备？考虑它的弹性元件应如何设计？ 电容测量时，引线与大地之间的杂散电容对被测 电容影响较大，考虑四相检测电容转移式微电容 测量线路可否克服上述问题。 试采用MATLAB/Simulink建立电容传感器的仿真 模型，可调用现有的转换电桥模块Converting bridge和整流模块Rectifier等，观察输入输出值和 准确度。
3.2
电容式传感器的测量电路
3.2.1.调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器 谐振回路的一部分。当输入量导致电容量 发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变 化。
f0
1 2 [(C1 C2 C0 ) L]
1 2
调频电路
3.2.2 运算放大器式电路
U0

1 jCx C U U 1 jC Cx
优点：体积小、成本低、 成像精度高、耗电量很 小，因此非常适合在消 费类电子产品中使用。
实例二：电容层析成像系统
各电极对间的电容值
3.1 电容式传感器的工作原理及类型
S
δ
S c
ε
图 4-1
平板电容器
变极距型电容传感器
0 r S c0
图示为一种常用的测量厚度结构。
3.3.3 二极管双T型交流电桥 图示为二极管双 T 型交流电桥电路原理图。 e 是高频电源 , 它提供幅值为 U i 的对称方波 , V D1 、 V D2 为特性完全相同的两个二极管 , R 1 = R 2 = R , C 1 、C 2为传感器的两个差动电容。当 传感器没有输入时 , C1 = C2 。电路工作原理 如下:
人体接近式电容传感器
电容式湿度传感器


湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高 分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部 门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。 当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生 变化，使其电容量也发生变化，其电容变化测量电极 屏蔽电极
图 4-27 电容式位移传感器测量原理图
电容式压力传感器
CL CH K Io IC p CL CH d0
（4～20）mA的直流输出信
电容差压传感器电路图
电容式加速度传感器
电容差压传感器的主要性能指标为： 量程：0-100～0-700mmH2O；0-500～03500mmH2O；0-3000～0-21000mmH2O； 精度：±0.2%； 测试温度：±40℃； 最大压力：1.4×107Pa。

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力 等）的变化转换成电容变化量的一种传感 器。实际上,它本身（或和被测物）就是一 个可变电容器。
实例一：指纹识别传感器
图为IBM ThinkpadT4 2/T43 的指纹识 别传感器


指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也 被称为第二代指纹识别系统。 下图为指纹经过处 理后的成像图：
HM1500湿度传感器
3.2.6 其他应用 1. 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是 通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化， 暂时形成震荡脉冲允许通过的条件 理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率 极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐 患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质 量的键盘 工艺较机械结构复杂
电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1″至几十度，分辨力约0.1″，零位稳定性可 达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精 度陀螺和摆式加速度计。 电容式测振幅传感器 可测峰值为050 μm 、 频率为10 2kHz，灵敏度高于0.01 μm ，非 线性误差小于0.05 μm 。
电容式位移传感器
3.2.4 变压器电桥
误差因素1：边缘效应
3
均匀电场 2 1
3
边 缘 电 场
图 4-10 带有等位环的平板 电容传感器原理图
误差因素2：寄生电容
芯 线 传 感 器
图 4-12
1:1 内屏蔽层 外屏蔽层 测量 电路 前置级
“驱动电缆”技术原理图
3.2.5 电容式传感器的应用
变极距型 适用于较小位移的测量，量程在 0.01μm 至数百微米、精度可达0.01μm 、分 辨力可达0.001 μm 。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫 米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01 μm 。
2.液位计
3.料位计
电容料位计电路图
Sitrans LR 400 Sitrans LU
超声波
4线连续 FMCW雷达
Sitrans LC 500
电容
习题




画图并说明平板式电容传感器的工作原理。 画出电容式传感器的完整的等效电路及在高、低频激励 下的等效电路。 分析电容传感器的误差因素，有哪些补偿方法？（边缘 效应、寄生电容的消除） 单组式边面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对 覆盖部分的宽度为4mm，两极板间隙为0.5mm，极板间介 质为空气，试求其静态灵敏度？若两极板相对移动2mm， 求其电容变化量。 画出电容式加速度传感器的结构示意图，并说明其工作 原理。
1 1 1 01 ( 0 1 ) x c c1 c2 01S
变面积型电容式传感器
转轴转角的测量
变介质型电容式传感器
下图是电容式液位计示意图。内圆管的外径为 10mm ， 外圆管的内径为20mm，管的高度为h1＝3m, h0＝0.5m， 被测介质为油，它的r＝2.3，电容器总电容量401pF， 求液位。若容器的直径为 3m ，油的密度 0.8t/m3 ，求 容器内油的重量。