电容式传感器

关于电容式传感器的分析

电容式传感器工作原理

电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

它的基本工作原理是基于被测物理量的变化可以转换为电容量变化的这一特点. 由物 理学可知,电容器的电容量是构成电容器的两极片形状,大小,相互位置及电介质介电常数的函数.

在电容式传感器中，当极板间的距离发生变化或极板间的介质状态参 数发生变化而使介电常数ε产生变化时(如介质的温度, 湿度等参数发生变化时, 匀能导致介电 常数的变化)都将引起电容量变化.故可据此测量物体的位移以及介质的各种状态参数.只要被 测物理量的变化能使电容器中任一种参数产生相应的改变而引起电容量变化, 那么再经过一定的 测量线路将此变化转换为有用的电信号输出, 即可根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小。

由公式C=εS/4πkd知，当被测量的变化使S、d 或ε 任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。其中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型： 变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。变极距型电容传感器在初始极距较小时，灵敏度提高；但是初始极距太小时，容易引起电容器击穿。改善的办法是在极板间放置云母片。变面积型电容传感器的输出为线性，灵敏度与初始极距成反比，所以减小极距，提高灵敏度，而差动结构也能提高灵敏度。变介质型电容传感器则用于测量厚度、高度。

电容式传感器测量电路

电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双 T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。

电容式传感器的应用

关键词：电容式传感器、应用

电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它结构简单，体积小，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用在压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分以及石油油品含水量等方面的测量，是一种具有良好发展前景的传感器。

1.1 加速度传感器

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。

加速度传感器主要用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。当车辆在极度不平的路面行驶时，车辆的扭振可能会通过传动系传到发动机曲轴，造成曲轴转速信号的变化，引起误判失火。对于上述情况，1991年加州法规中规定：“当失火无法与其它作用区分时，当最好的诊断技术和方法在某些特定的条件下无法工作时，失火诊断系统可以不工作”。而到目前为止，大多数研究者都是采用曲轴转速不均匀性诊断失火的方法，所以上述规定是针对发动机在显示低负荷和车辆在不平路面行驶时的情况。加速度传感器的输出就是作为关闭失火诊断的阀值。ECU中定义了一个垂直方向的加速度极限值，凡是超过这个加速度范围的，就有可能出现失火的误判，这个时候就应该关闭失火诊断功能。

加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，因此通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制，就变得很简单。

用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现所要显示图像的转正。

GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。在一些特殊的场合和地貌，如遂道、高楼林立、丛林地带，GPS信号会变弱甚至完全失去，这也就是所谓的死角。而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的惯性导航，便可以进行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分，就变成了单位时间里的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。

课??题 第四章?电容式传感器

第一节 电容式传感器的基本概念及主要特点

第二节 电容式传感器的工作原理及结构形式 课?型 新课

授课班级 授课时数 2

教学目标 1．理解电容式传感器的基本概念和特点。

2．掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。

教学重点 1．电容式传感器的基本概念。

2．电容式传感器的工作原理及3种结构形式。

教学难点 三种类型电容式传感器的电容变化量计算。

学情分析

教学效果 新授课 教后记

A、复习

电阻式传感器。

B、新授课

第一节 电容式传感器的基本概念及主要特点

一、基本概念

电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。

二、主要特点

① 结构简单，易于制造。

② 功率小、阻抗高、输出信号强。

③ 动态特性良好。 （提问）

（与电阻是对比介绍）

（简要分析原因）

（讲解）

（讲解）

（讲④ 受本身发热影响小。

⑤ 可获得比较大的相对变化量。

⑥ 能在比较恶劣的环境中工作。

⑦ 可进行非接触式测量。

⑧ 电容式传感器的不足之处。主要是寄生电容影响比较大；输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。

第二节 电容式传感器的工作原理及结构形式

一、工作原理

电容式传感器的工作原理可以从图4 - 1所示的平板式电容器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

AεC

式中，A——两极板相互遮盖的面积（mm2）

?——两极板之间的距离

（mm）

ε——两极板间介质的介电常数（F / m）

由以上计算公式可见，当被测量使A，δ，ε三个参数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。

二、结构形式

1．变面积（A）型电容式传感器

变面积型电容传感器的结构原理如图4 - 2所示。图中（a）、解）

电容传感器工作原理

利用静电场内的变化检测金属、非金属、液体和固体的固态元件。

电容传感器工作原理

电容传感器结构内具有四个基本元件，即传感器板、振荡器、触发电路和输出端。

目标物体和传感器板构成了振荡器反馈电路。当物体和传感器板靠近时，反馈电容出现；当大电容出现时，就会开始振荡。触发电路感应振荡水平并得以控制，从而改变输出端开关装置的状态。

物体越远离传感器尖端时振荡幅度降低，而靠近时幅度增加。其在本质上为电容传感器的工作原理。

电容传感器优势

①检测金属、非金属、固体和液体；

②可穿透某些材料（产品包装盒）；

③固态，无磨损，使用寿命长；

④安装配置较多。

电容传感器注意事项

①传感距离较短，随着目标材料的变化而变化（≥ 25mm）；

②易受环境影响，湿度可影响传感输出；

③根本不选择其目标，重要的是控制靠近传感器的物体（假触发）。

电容传感器应用

①液面传感

②产品填装线

③塑料件检测

④材料搬运的货板检测

⑤不规则物体