电容式传感器的测量电路和应用

电容式传感器的原理及应用电容传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量,还能测量液面、料面、成分含量等热工参量。

这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。

因此,电容传感器在自动检测技术中占有很重要的地位,并得到广泛的应用。

电容式传感器有着许多优点,应用也非常广泛,本文介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。

一．基本原理电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。

由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,如果忽略了边缘效应,其电容为C=εS/d。

可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变,因此电容式传感器可以分为三种类型。

1.1变间距型电容传感器如图(1)所示,1为固定极板,2为可动极板。

当可动极板向上移动x,则电容的增量为ΔC=εS/(d-x)-εS/d=-εS/d(x/(d-x))=C0/d(x/(1-x/d))所以灵敏度S=Δx=C0/d=C0/d(1+x/d+x/d2+x/d3+……)。

从上式中可以看出,电容的变化量与极板移动的位移有关,而且当x/d<<1时,可以近似地认为ΔC=S·x，成线性关系。

为了提高灵敏度可以适当减小电容器初始间距和增大初始电容值。

1.2变面积型电容传感器如图所示,下面的极板为动片,上面的极板为定片。

当动片与定片有一相对线位移时,两片金属极板的正对面积变化,引起电容量的变化。

当线位移x=0时,设初始电容量为C0=εab/d,当x≠0时,Cx=ε(a-x)b/d=C0(1-x/a),因此ΔC=-C0x/a,灵敏度S=-C0/a。

可见变面积型传感器是线性传感器,增大初始电容可以提高灵敏度。

1.3变介质型电容传感器二．电容式传感器的应用1.触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。

简述电容式传感器工作原理及应用电容式传感器是一种常见的传感器类型，它通过测量电容的变化来检测目标物体的某种特性或环境参数。

其工作原理基于电容的基本定律，即电容与两个电极之间的距离和介电常数成正比。

因此，当目标物体靠近或远离电容式传感器时，电容的值会发生变化，进而通过电路进行测量和分析。

电容式传感器的工作原理可以简单地描述为：当传感器的电极之间存在一定的电场时，根据电容公式可以得知电容C与电场E之间的关系为C=εA/d，其中C表示电容，ε表示介电常数，A表示电极面积，d表示电容之间的距离。

当目标物体靠近电容式传感器时，目标物体会改变电场的分布，导致电容的值发生变化。

这个变化可以通过电路进行测量和分析，从而得知目标物体的特性或环境参数。

电容式传感器具有多种应用。

以下是几个常见的应用示例：1. 接近传感器：电容式传感器可以用于检测目标物体与传感器之间的距离。

当目标物体靠近传感器时，电容的值会发生变化，从而可以实现对目标物体的接近检测。

这种应用广泛用于自动门、智能家居和机器人等领域。

2. 液位传感器：电容式传感器可以用于测量液体的液位。

通过将传感器的电极部分浸入液体中，液体与电极之间的介质常数会影响电容的值。

通过测量电容的变化，可以得知液体的液位信息。

这种应用常见于化工、石油和食品等行业。

3. 触摸传感器：电容式传感器可以用于触摸屏和触摸按钮等设备中。

当手指接触传感器时，手指与传感器之间的电场会发生变化，导致电容的值发生变化。

通过测量电容的变化，可以实现触摸的检测和定位。

这种应用广泛用于智能手机、平板电脑和汽车导航系统等设备中。

4. 湿度传感器：电容式传感器可以用于测量空气中的湿度。

通过将传感器的电极部分暴露在空气中，空气中的湿度会影响电容的值。

通过测量电容的变化，可以得知空气中的湿度信息。

这种应用常见于气象、农业和室内环境监测等领域。

电容式传感器通过测量电容的变化来检测目标物体的特性或环境参数。

它具有灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于工业、农业、医疗和消费电子等领域。

电容传感器(传感器工作原理及应用实例) 第六节电容式传感器以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。

电容式传感器在力学量的测量中占有重要地位，它可以对荷重、压力、位移、振动、加速度等进行测量。

这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等许多优点，因此，在自动检测技术中得到普遍的应用。

一、电容式情感器的工作原理现以平板式电容器来说叫电容式传感器的工作原坝。

电容是由两个金属电极，中间有腰电介质构成的，如图4(36所示。

出合构极板N加3:电压时，电极广就盒贮存有电荷(所以电容器实际6:是—个储存电场能的元件。

平板式电容器在忽略边缘6A质效应时，其电容虽(:可长尔为C—:半—l‘d4,J(‘——电容量(F);e一两极板间介质的介电常数(F,m);‘，一一两极板间介质的相对介电常数;q一一真空的介电常数，等于8(85xlo4——极板的面积(m’);J——极板间的距离(m)。

从上式可知，当其中的允、J、q中的任一项发生变化时，都会引起电容量c的变化。

在实际使用时，常使4、6f、q参数中的两项固定，仅改变其中—个参数来使电容量发生变化、根据上述工作原理(电容式传感器可分为三种类型，即改变极板面积的变面积式，改变圾板距离的变间隙式。

改变介电常数的变介电常数式。

在力学传感器中常使用变间隙式电容传感器。

二、电容式传感器的特点(1)结构简单(性能稳定(2)阻抗高，功率小;。

(3)动态响应好，灵敏度高，分辨力强:(4)没有由于振动引起的漂移;(5)闭试导线分布电容对测旦误差影响较大;(6)电容量的变化与极板间距离变化为非线性。

表小5列出了电容式与压电式、应变式、压阻式传感器之间的特性对比。

从表中可以看出电容式传感器在技术特性上比其它传感器有着一系列的优点。

三、电容式荷宣传感器四4(37所示为电容式荷重传感器的结构示意图。

’映在镍铅钥钠块厂加[出“排尺寸川间且等距的圆孔，在园孔内樊[:帖接村带绝缘支架的平板式电容器，然后将每个咀孔内的电容器并联。

电容式传感器的测量转换电路电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后，将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路。

目前较常采用的有电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等，这里只介绍电桥电路和运算放大器电路。

一、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个或两个相邻臂，另外两臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈，如图1所示。

图1电容式传感器的桥式转换电路a)单臂法b)差动接法在图1a单臂接法电桥电路中，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器，当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。

在图1b差动接法电桥电路中，其输出电压可用下式表示：由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。

因此，在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。

由电桥电路组成的系统原理框图如图2所示。

图2电桥电路系统原理框图二、调频电路将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分。

当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。

其电路组成原理框图如图3所示。

图3调频式测量电路原理框图调频振荡器的频率：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。

三、运算放大器式电路将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件，如图4所示。

图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。

图4运算放大器电路原理图由理想放大器的工作原理得：。