電容傳感器原理:電容傳感器

2021/12/09 23:05 · 傳感器知識資訊 ·  · 電容傳感器原理:電容傳感器已關閉評論
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電容傳感器原理:電容傳感器收藏查看我的收藏0有用+1已投票0電容傳感器語音編輯鎖定討論上傳視頻上傳視頻本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目審核。電容傳感器是指將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上,它本身(或和被測物體)就是一個可變電容器。[1]中文名電容傳感器外文名CapacitiveTransducer實質一類傳感器特點結構簡單等應用測量金

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電容傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
電容傳感器是指將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上,它本身(或和被測物體)就是一個可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實 質
一類傳感器
特 點
結構簡單等
應 用
測量金屬表面狀況等
學 科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點
3
應用
4
改善方法
電容傳感器原理
編輯
語音
由物理學知識可知,在忽略邊緣效應的情況下,平板電容器的電容量為
式中,
——真空的介電常數,
=
;
ε——極板間介質的相對介電系數,在空氣中,ε=1;
A——極板的重合面積,m2;
δ——兩平行極板間的距離,m。
上式表明,當被測量δ,A或ε發生變化時,都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變,僅改變另一個參數,就可以把該參數的變化變換為單一電容量的變化,再通過配套的測量電路,將電容的變化轉換為電信號輸出。根據電容器參數變化的特性,電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種,其中極距變化型和面積變化型的應用較廣泛。
[1]
電容傳感器特點
編輯
語音
電容傳感器有如下一些特點:
①結構簡單;
②動作時需要能量低,由于帶電極板間靜電吸引力很?。s幾個
N),因此電容傳感器特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題;
③動態特性好,電容傳感器的相對變化量只受線性和其它實際條件的限制,如果使用高線性電路時,電容變化量可達100%或更大;
④自然效應??;
⑤動態響應快以及能在惡劣的環境下工作。但由于電容傳感器的初始電容較小,受引線電容、寄生電容的干擾影響較大;另一方面電容傳感器輸出特性為非線性。
[2]
電容傳感器應用
編輯
語音
電容傳感器可以直接測量的非電量為:直線位移、角位移及介質的幾何尺寸(或稱物位),直線位移及角位移可以是靜態的,也可以是動態的,例如是直線振動及角振動。用于上述三類非電參數變換測量的變換器一般說來原理比較簡單,無需再作任何預變換。
用來測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器,往往采用單極式變間隙電容傳感器,使用時常將被測物作為傳感器的一個極板,而另一個電極板在傳感器內。近年來已采用這種方法測量油膜等物質的厚度。這類傳感器的動態范圍均比較小,約為十分之幾毫米左右,而靈敏度則在很大程度上取決于選材、結構的合理性及寄生參數影響的消除。精度達到0.1μm,分辨力為0.025μm??梢詫崿F非接觸測量,它加給被測對象的力極小,可忽略不計。
測物位的傳感器多數是采用電容式傳感器作轉換元件。電容式傳感器還可用于測量原油中含水量、糧食中的含水量等。
當電容傳感器用于測量其他物理量時,必須進行預變換,將被測參數轉換成d,S或ε的變化。例如在測量壓力時,要用彈性元件先將壓力轉換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
編輯
語音
為了提高電容傳感器的靈敏度、減小界干擾、寄生電容及漏電的影響和減小線性誤差,可采用以下措施:
①由于當d減小時可使電容量加大從而使靈敏度增加,但d過小容易引起電容器擊穿,一般可以在極板間放置云母片來改善;
②提高電源頻率;
③用雙層屏蔽線,將電路同電容傳感器裝在一個殼體中,可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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2019-08-230
參考資料
1.

張洪亭,王明贊編.測試技術基礎:東北大學出版社,2013.12
2.

李田澤主編.傳感器技術設計與應用:海洋出版社,2015.05
3.

劉迎春,葉湘濱編著.傳感器原理 設計與應用 第5版:國防工業出版社,2015.06

電容傳感器原理:電容傳感器的原理及容量公式詳解

有關電容傳感器的工作原理,電容傳感器作為一種測量用傳感器,其工作原理是什么樣的,電容器的容量公式及參數是什么樣的,一起來了解下。
電容傳感器的原理
電容傳感器,又為電容物位計,它的電容檢測元件是基于圓筒形電容器原理來工作的,圓筒形電容器由兩個相互絕緣的同軸圓柱極板構成,在兩個極板之間填充介質。
由物理學知識可知,在忽略邊緣效應的情況下,平板電容器的電容量為:
ε——極板間介質的相對介電系數,在空氣中,ε=1;
A——極板的重合面積,m2;
δ——兩平行極板間的距離,m。
上式表明,當被測量δ,A或ε發生變化時,都會引起電容的變化。
保持其中兩個參數不變,僅改變另一個參數,即可把該參數的變化變換為單一電容量的變化,再通過配套的測量電路,將電容的變化轉換為電信號輸出。
電容器的容量公式:C=2∏eL/lnD/d。
其中,ε表示兩極板間介質的介電常數,L表示兩極板之間相互重合的長度,D表示外面的圓柱形極板的直徑,d表示里面的圓柱形極板的直徑。
在固定情況下測量時,其D、d、e三個參量不會變,便可以根據測量的電容量,求得液位的高度。
以上介紹了電容傳感器的原理,電容傳感器在工作時,如何根據電容量來得到液位高度,希望對大家有所幫助。
相關閱讀:
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電容傳感器原理:電容式傳感器原理介紹圖文

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1、 第三章 電容式傳感器3.1 電容式傳感器工作原理和結構 3.2 電容式傳感器等效電路3.3 電容式傳感器測量電路3.4 電容式傳感器應用2 3.1 電容式傳感器工作原理和結構 一、基本工作原理電容式傳感器的三種類型:變極距型、變面積型和變介電常數型。(l 4 考慮了電容器的損耗和電感效應, 電容式傳感器的等效電路。一、電容式傳感器等效電路3.2 電容式傳感器等效電路根據等效電路,電容式 傳感器有一個諧振頻率,通 常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時,諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此,工作頻率應該選擇低 于諧振頻率。并聯損耗電阻 R p :表示極板間的泄漏電阻和介質損耗。 并聯損耗低頻

2、時影響大,隨著工作頻率增高,容抗減小,影響就減弱。串聯損耗電阻 R s :引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。 電感 L :電容器的電感和外部引線電感。 17 二極管雙 T 形交流電橋電路中, e 為高頻電源,提供了幅值為 U 的對 稱方波, V D1、 V D2為特性完全相同 的兩只二極管, R 1、 R 2為阻值相等 的兩個固定電阻, C1、 C 2為傳感器的兩個差動電容。 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(1傳感器沒有輸入 C 1=C2當 e 為正半周時,二極管 V D1導 通、 V D2截止,則電容 C1被以極短的時間充電至 U 。在前負半周時,電容 C 2已經充

3、電至電壓 U 。1、電路基本結構2、基本工作原理22 二極管雙 T 形交流電橋電路中, e 為高頻電源,提供了幅值為 U 的對 稱方波, V D1、 V D2為特性完全相同 的兩只二極管, R 1、 R 2為阻值相等 的兩個固定電阻, C1、 C 2為傳感器的兩個差動電容。 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(1傳感器沒有輸入 C 1=C2當 e 為正半周時,二極管 V D1導 通、 V D2截止,則電容 C1被以極短的時間充電至 U 。在前負半周時,電容 C 2已經充電至電壓 U 。1、電路基本結構2、基本工作原理23 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(

4、1傳感器沒有輸入時 C 1=C2電源經 R 1以 I 1向 R L 供電,而電容 C 2經電阻 R 2和負載電阻 R L 放電,流過 R L 的 電流為 I 2。流過 R L 的總電流 I L 為 I 1和 I 2的 代數和。2、基本工作原理同理,當 e 為負半周時,流過負載電 阻 R L 的電流為 I 1和 I 2的代數和。根據所給的條件,在一個周期內流 過負載電阻上平均電流 I 1=I2、 I 1=I 2且方 向相反,流過 R L 的平均電流為零。24 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(2傳感器有輸入時 C 1 C 2當 R L 一定時,引入常數 M ,在一 個周期內輸

5、出電壓平均值可簡寫為2、基本工作原理(21C C MUf U o=當電源確定后,輸出電壓是電容 C 1和 C 2的函數。(3雙 T 電路的特點 線 路 簡 單 , 可 全 部 放 在 探 頭 內,大大縮短了電容引線、減小了分 布電容的影響;電源周期、幅值影響 靈敏度,要求高度穩定; 輸 出 阻 抗 與 電 容 無 關,克服了電容式傳感器高 內阻的缺點;適用于具有線性特性 的單組式和差動式傳感器。26在環形二極管充放電法測量 電容電路中,高頻方波信號源, 通過環形二極管電橋,對被測電 容進行充放電,環形二極管電橋 輸出一個與被測電容成正比的微 安級電流。四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容

6、式傳感器測量電路1、電路基本結構輸入方波加在電橋的 A 點和 地之間, C x 為被測電容, C d 為平 衡電容傳感器初始電容的調零電 容, C 為濾波電容, A 為直流電 流表。二極管雙 T 形交流電橋的改進27(1 當輸入的方波由 E 1躍變到 E 2時,電容 C x 和 C d 兩端的電壓皆由 E 1充 電到 E 2。電容 C x 的充電電流為 i 1, C d 的充電 電流為 i 3。在充電過程中 T 1這段時間 內, V D2、 V D4一直處于截止狀態,由 A 點向 C 點流動的電荷量為四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容式傳感器測量電路在放電過程中 T 2這段時 間內, V

7、 D1、 V D3截止,由 C 點向 A 點流過的電荷量為2、基本工作原理(121E E C q d=(2 當輸入的方波由 E 2返回到 E 1時, C x 、 C d 放電,兩端的電壓由 E 2下 降到 E 1,放電電流分別為 i 2和 i 4。(122E E C q x=28(3 設方波的頻率 f=1/T0即每秒 鐘要發生的充放電過程的次數,由 C 點 流向 A 點的平均電流為 I 2, 從 A 點流向 C 點的平均電流為 I 3, 流過從 C 至 A 支路的 瞬時電流平均值為四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容式傳感器測量電路環形二極管充放電測量 電路的輸出電流 I 正比于傳感

8、器電容值的增量C x 。2、基本工作原理( ( (d x d x C C E f E E f C E E f C I I I=(4 令 C x 的初始值為 C 0,C x 為 C x 的增量, C x=C0+C x 。初始調節 C d=C0,則有xd x C E f C C E f I=(29 差動脈沖調寬電路,通過對 傳感器電容的充放電,使電路輸 出脈沖的寬度隨傳感器電容量變 化而變化。通過低通濾波器,被測量的 變化轉換為直流信號輸出。 五、脈沖寬度調制測量電路3.3電容式傳感器測量電路當接通電源后,若觸發器 Q 端為高電平,則觸發器通過 R 1對 C x1充電。2、基

9、本工作原理1、電路基本結構C x1、 C x2為差動式傳感器的兩 個電容;若用單組式,則其中一 個為固定電容,其電容值與傳感 器電容初始值相等; A 1、 A 2是兩 個比較器, U r 為其參考電壓。30 當 F 點電位 U F 升到與參考電壓 U r 相等時,比較器 A 1產生一脈沖 使觸發器翻轉,使 Q 端為低電平。 此時,電容 C x1通過二極管 V D1迅 速放電至零,而觸發器經 R 2向 C 2充電。五、脈沖寬度調制測量電路3.3 電容式傳感器測量電路2、基本工作原理當 G 點電位 U G 與參考電壓 U r 相等時,比較器 A 2輸出一脈沖使 觸發器翻轉。此時,電容 C x2通過

10、 二極管 V D2迅速放電至零。如此交替激勵。因此,電路充放電的時間, 即觸發器輸出方波脈沖的寬度受 電容 C x1、 C x2的調制。31 3.4 電容式傳感器應用 三、電容式加速度傳感器 基本結構: 兩個固定極板間有一個 用彈簧片支撐的質量塊m,質 量塊的兩端面經拋光后作為 動極板。 絕緣體 定極板1 C1 彈簧片 m a 基本原理: 當傳感器測量豎直方向 的振動時,因m的慣性作用, 使其相對固定電極產生位 移,兩個差動電容器C1 和C2 定極板2 質量塊(動極板) 的電容發生相應的變化,其 中一個變大,另一個變小。 C2 36 3.4 電容式傳感器應用 四、電容式傳感器其他應用 (1)電容式液位計 (2)電容式料位計 (3)電容式濕敏傳感器 (4)電容式鍵盤 (5)電容傳聲器 (6)生物識別技術 硅電容指紋圖像傳感器: 最常見的半導體指紋傳感器,通過電子 度量來捕捉指紋。在半導體金屬陣列上能結 合大約100,000個電容傳感器。 駐極體電容傳聲器 37

電容傳感器原理:電容傳感器  第2張

電容傳感器原理:電容式傳感器的工作原理和結構..ppt

第5章 電容式傳感器 圖5-5 電容式角位移傳感器原理圖 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性 圖5-8 差動平板式電容傳感器結構 5.3 電容式傳感器的測量電路 5.4 電容式傳感器的應用 若傳感器輸入不為 0, 則C1 ≠ C2, 那么I1≠I2, 此時RL上必定有信號輸出, 其輸出在一個周期內的平均值為 式中f為電源頻率。 當RL已知, 式(5 - 32)中[R(R+2RL)/(R+RL)2]RL=M(常數), 則  Uo=Ei fM(C1-C2) 從式(5 - 33)可知, 輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關, 而且與T型網絡中的電容C1和C2的差值有關。 當電源電壓確定后, 輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數。該電路輸出電壓較高, 當電源頻率為 1.3MHz, 電源電壓Ei=46 V時, 電容從-7~+7pF變化, 可以在 1MΩ負載上得到-5~+5 V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關, 故輸入電源要求穩定。當Ui幅值較高, 使二極管VD1、VD2工作在線性區域時, 測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關, 而僅與R1、R2及RL有關, 其值為1~100kΩ。 輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1kΩ的負載電阻上升時間為 20 μs左右, 故可用來測量高速的機械運動。  四、 脈沖寬度調制電路 脈沖寬度調制電路如圖 5 - 12 所示。 圖中C1、C2為差動式電容傳感器, 電阻R1=R2, A1、A2為比較器。當雙穩態觸發器處于某一狀態, Q=1,=0, A點高電位通過R1對C1充電, 時間常數為τ1=R1 C1, 直至F點電位高于參比電位Ur, 比較器A1輸出正跳變信號。與此同時, 因=0, 電容器C2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發器翻轉, 使Q=0,=1, 于是A點為低電位, C1通過VD1迅速放電, 而B點高電位通過R2對C2充電, 時間常數為τ2=R2C2, 直至G點電位高于參比電位Ur。 比較器A2輸出正跳變信號, 使觸發器發生翻轉, 重復前述過程。 電路各點波形如圖 5 - 13 所示, 當差動電容器的C1=C2時, 其平均電壓值為零。當差動電容C1 ≠ C2, 且C1 > C2時, 則τ1=R1 C1>τ2=R2 C2 。由于充放電時間常數變化, 使電路中各點電壓波形產生相應改變。 ? 如圖 5 - 13(b)所示, 此時uA、uB脈沖寬度不再相等, 一個周期(T1+T2)時間內其平均電壓值不為零。此uAB電壓經低通濾波器濾波后, 可獲得輸出 式中: U1——觸發器輸出高電平;T1、T2——C1、C2充放電至Ur所需時間。 由電路知識可知: T1=R1C1ln (5 - 35) T2= (5 - 36) 將T1、T2代入式(5 - 34), 得 把平行板電容的公式代入式(5 - 37), 在變極板距離的情況下可得 式(5 - 38)中d1、d2分別為C1、C2極板間距離。  當差動電容C1=C2=C0, 即d1=d2=d0時, uAB=0; 若C1≠ C2, 設C1 > C2, 即d1=d0 -d, d2=d0+Δd, 則 同樣, 在變面積電容傳感器中, 則有 由此可見, 差動脈寬調制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動式電容傳感器, 并具有線性特性, 且轉換效率高, 經過低通放大器就有較大的直流輸出, 且調寬頻率的變化對輸出沒有影響。  一、 電容式壓力傳感器 圖 5 - 14 所示為差動電容式壓力傳感器的結構圖。圖中所示為一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。 當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產生位移時, 形成的兩個電容器的電容量, 一個增大, 一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。   二、 電容式加速度傳感器 圖 5 - 15 所示為差動式

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