傳感器與檢測技術 第四章

1、第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1傳感器的工作原理及類型傳感器的工作原理及類型4.2電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性4.3電容傳感器的特性等效電路電容傳感器的特性等效電路4.4電容傳感器的設計要點電容傳感器的設計要點4.5電容式傳感器的轉換電路電容式傳感器的轉換電路4.6電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例本章要點本章要點下頁下頁返回返回4.1 電容式傳感器的工作原理及類型電容式傳感器的工作原理及類型 電容式傳感器是將被測量電容式傳感器是將被測量( (如尺寸、壓力等如尺寸、壓力等) )的變化的變化轉換成電容量變化的轉換成電容量變化的-種傳感器。種傳感器。

2、一、工作原理一、工作原理 由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為如果不考慮其邊緣效應，其電容為 下頁下頁上頁上頁返回返回dSdSCr0式中式中 - - 兩個極板間介質的介電常數(shù)；兩個極板間介質的介電常數(shù)； r r - - 介質的相對介電常數(shù)；介質的相對介電常數(shù)； 0 0 - - 真空介電常數(shù)（真空介電常數(shù)（0 0 =8.85 =8.851010-12-12F/mF/m）；）； s - s - 兩個極板相對有效面積；兩個極板相對有效面積； d - d - 兩個極板間的距離兩個極板間的距離下頁下頁上頁上頁返回返回 由上

3、式可知，改變電容由上式可知，改變電容C C的方法有三種：的方法有三種： 改變介質的介電常數(shù)改變介質的介電常數(shù)； 改變形成電容的有效面積改變形成電容的有效面積S S； 改變兩個極板間的距離改變兩個極板間的距離d d。 輸出均為電容增量輸出均為電容增量CC，故構成電容式傳感器。，故構成電容式傳感器。二、類型二、類型 三種：變極距三種：變極距d(d(或稱變間隙）型、變面積或稱變間隙）型、變面積s s型和變型和變 介電常數(shù)介電常數(shù)型。型。 形狀：平板形、圓柱形和球平面形三種。形狀：平板形、圓柱形和球平面形三種。圖圖4-1 變極距型電容傳感器結構原理變極距型電容傳感器結構原理下頁下頁上頁上頁返回返回下頁

4、下頁上頁上頁返回返回圖圖4-2 變面積型電容傳感器結構原理圖變面積型電容傳感器結構原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖4-3 變介電常數(shù)型電容傳感器結構原理圖變介電常數(shù)型電容傳感器結構原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回4.2 電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性 下頁下頁上頁上頁返回返回q 變極距型變極距型q 變面積型變面積型q 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 為提高靈敏度，通常各種結構的電容傳為提高靈敏度，通常各種結構的電容傳感器多采用差動形式。感器多采用差動形式。 對于變極距型電容傳感器，為在比較大的范圍內(nèi)使用對于變極距型電容傳感器，為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當?shù)脑龃髽O板間

5、的初始距離此種傳感器，可適當?shù)脑龃髽O板間的初始距離 d0 ，以，以保證比值保證比值 d/d0不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，同時也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾同時也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。作用將增加。 變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容傳感器具變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容傳感器具有很好的線性。但實際上由于邊緣效應的影響仍存在有很好的線性。但實際上由于邊緣效應的影響仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。下頁下頁上頁上頁返回返回4.3 電容傳感器

6、的等效電路電容傳感器的等效電路4.3.1 電容傳感器的特點電容傳感器的特點 下頁下頁上頁上頁返回返回 優(yōu)點：優(yōu)點： 本身發(fā)熱小，本身發(fā)熱小，溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 結構簡單、適應性強；結構簡單、適應性強； 介質損失小，介質損失小，動態(tài)響應好；動態(tài)響應好； 可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應缺點：缺點： 輸出阻抗高，負載能力差；輸出阻抗高，負載能力差； 寄生電容影響大；寄生電容影響大； 輸出特性非線性輸出特性非線性 下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回4.3.2 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 LCCCe21圖圖4-4 電容式傳感器的

7、等效電路電容式傳感器的等效電路對高頻有：對高頻有：4.4 電容傳感器的設計要點電容傳感器的設計要點一、保證絕緣材料的絕緣性能一、保證絕緣材料的絕緣性能 必須從選材、結構、加工工藝等方面來減必須從選材、結構、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。能。二、消除和減小邊緣效應二、消除和減小邊緣效應 邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應盡量消除或減小它。而且產(chǎn)生非線性，因此應盡量消除或減小它。 下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖4-5 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結構原理圖帶有等位環(huán)的平板

8、電容傳感器結構原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回 三、消除和減小寄生電容的影響三、消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相關聯(lián)，影響傳寄生電容與傳感器電容相關聯(lián)，影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它。影響儀器的精度，必須消除和減小它。 下頁下頁上頁上頁返回返回 增加原始電容值可減小寄生電容的影響。增加原始電容值可減小寄生電容的影響。 注意傳感器的接地和屏蔽。注意傳感器的接地和屏蔽。 下頁下頁上頁上頁返回返回消除和減小寄生電容可采用如下方法消除和減小寄生電容可采用如下方法：圖圖4-6 接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖接地

9、屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖將傳感器與電子線路的前置級（集成化）裝在將傳感器與電子線路的前置級（集成化）裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級的電纜。一個殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級的電纜。采用采用“驅動電纜驅動電纜”技術（也稱技術（也稱“雙層屏蔽等位雙層屏蔽等位傳輸傳輸”技術）。技術）。 圖圖4-7 “驅動電纜驅動電纜”技術電原理圖技術電原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回 采用運算放大器法采用運算放大器法 圖圖4-8 運算放大器法電原理圖運算放大器法電原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回 整體屏蔽法整體屏蔽法 圖圖4-9 兩個整體屏蔽法例子兩個整體屏蔽法例子下頁下頁上頁上頁返回返回 屏蔽和接地。屏蔽和接地。

10、增加原始電容值以降低容抗。增加原始電容值以降低容抗。 導線和導線要離得遠，以減小導線間分布電容的靜電感導線和導線要離得遠，以減小導線間分布電容的靜電感應。導線要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列應。導線要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時可采用同軸屏蔽線。時可采用同軸屏蔽線。 盡可能一點接地，避免多點按地。地線要用粗的良導體盡可能一點接地，避免多點按地。地線要用粗的良導體或寬印刷線。或寬印刷線。 盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。 下頁下頁

11、上頁上頁返回返回四、防止和減小外界干擾四、防止和減小外界干擾4.5 電容式傳感器的轉換電路電容式傳感器的轉換電路 傳感器把被測量轉換成電路參數(shù)傳感器把被測量轉換成電路參數(shù)C，從而使信號能傳輸、，從而使信號能傳輸、放大、運算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測放大、運算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測量結果或控制某些設備工作。量結果或控制某些設備工作。 同時，還根據(jù)需要將電路同時，還根據(jù)需要將電路參數(shù)參數(shù)C進一步轉換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。進一步轉換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。 電容傳感器的轉換電路種類很多，一般歸結為兩大類：電容傳感器的轉換電路種類很多，一般歸結為兩大類： 調(diào)制

12、型調(diào)制型 脈沖型脈沖型(或稱為電容充放電器或稱為電容充放電器)下頁下頁上頁上頁返回返回一、調(diào)制型電路一、調(diào)制型電路 下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖4-10 調(diào)頻電路調(diào)頻電路CCLff0021下頁下頁上頁上頁返回返回電路特點：電路特點：1.靈敏度高，可測靈敏度高，可測0.01pf的變化量；的變化量；2.抗干擾性強；抗干擾性強；3.特性穩(wěn)定；特性穩(wěn)定；4.能取得高電平的直流信號（能取得高電平的直流信號（V級）；級）；5.f受溫度和電纜電容影響大受溫度和電纜電容影響大調(diào)幅電路調(diào)幅電路 下頁下頁上頁上頁返回返回 變壓器電橋變壓器電橋（a）單臂接法）單臂接法 （b）差動接法）差動接法下頁下頁上頁上頁返回返

13、回電路特點：電路特點：1.電路簡單；電路簡單；2.電橋輸出調(diào)幅波，故要求電源電壓波動電橋輸出調(diào)幅波，故要求電源電壓波動小，需穩(wěn)幅、穩(wěn)頻；小，需穩(wěn)幅、穩(wěn)頻；3.調(diào)整復雜，不方便；調(diào)整復雜，不方便；4.輸出阻抗高，輸出電壓低，需接高放大輸出阻抗高，輸出電壓低，需接高放大倍數(shù)處理電路倍數(shù)處理電路o1/(j)1/(j)xxCCUUUCC 運算放大器電路運算放大器電路下頁下頁上頁上頁返回返回二、脈沖型電路二、脈沖型電路 脈沖型轉換電路的基本原理是利用脈沖型轉換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好，較常用電容的充放電。兩種性能較好，較常用的電路為：的電路為： 雙雙T型充放電網(wǎng)絡型充放電網(wǎng)絡 下頁

14、下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回)()()2(212CCUfRRRRRRULLLO 脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路圖圖4-16 脈沖調(diào)寬型電路原理圖脈沖調(diào)寬型電路原理圖下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回圖圖4-17 各點電壓波形圖各點電壓波形圖4.6 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例 電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，振動振幅（測至振動振幅（測至0.05m的微小振幅），尤其適的微小振幅），尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、速度

15、等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。來作為位置信號發(fā)生器。 下頁下頁上頁上頁返回返回n 優(yōu)點：結構簡單、適應性強；動態(tài)響應好；分優(yōu)點：結構簡單、適應性強；動態(tài)響應好；分辨率高；溫度穩(wěn)定性好；可實現(xiàn)非接觸式測量、辨率高；溫度穩(wěn)定性好；可實現(xiàn)非接觸式測量、具有平均效應。具有平均效應。n 不足：輸出阻抗高，負載能力差等。不足：輸出阻抗高，

16、負載能力差等。l 特點特點上頁上頁返回返回下頁下頁圖圖4-19 差動式電容壓力傳感器差動式電容壓力傳感器上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁圖圖4-21 電容式加速度傳感器結構示意圖電容式加速度傳感器結構示意圖上頁上頁返回返回下頁下頁電容式液位傳感器電容式液位傳感器l 非導電介質非導電介質)/ln(2)/ln()(210rRxrRxhCxrRCxhrR)()/ln(2)()/ln(2010010l 導電介質導電介質n 傳感器極板與被測介質絕緣傳感器極板與被測介質絕緣n 容器和液體為一個電極；容器和液體為一個電極； 插入金屬電極為令一個電極；插入金屬電極為令一個電極； 絕緣套管為中間

17、介質絕緣套管為中間介質上頁上頁返回返回下頁下頁（a）棒式探極）棒式探極 （b）同軸探極）同軸探極 （c）纜式探極）纜式探極圖圖4-24 幾類常見的電容式液位傳感器幾類常見的電容式液位傳感器油箱液位檢測油箱液位檢測電容式限位儀電容式限位儀l 該種傳感器是屬于變介質型電容傳感器，主要利該種傳感器是屬于變介質型電容傳感器，主要利用電容器的中間介質的介電常數(shù)隨溫度變化而改用電容器的中間介質的介電常數(shù)隨溫度變化而改變的原理進行測量。變的原理進行測量。n 以以BaSrTiO3BaSrTiO3為主的陶瓷電容為主的陶瓷電容器，其介電常數(shù)在溫度超過居里器，其介電常數(shù)在溫度超過居里點之后，會隨著溫度的上升成反點之

18、后，會隨著溫度的上升成反比的下降，如圖所示。若將這種比的下降，如圖所示。若將這種電容器與電感組成諧振回路，則電容器與電感組成諧振回路，則其諧振頻率會有規(guī)律地隨溫度變其諧振頻率會有規(guī)律地隨溫度變化。用頻率計測出其頻率，經(jīng)過化。用頻率計測出其頻率，經(jīng)過換算可求得溫度。換算可求得溫度。電容式溫度傳感器電容式溫度傳感器上頁上頁返回返回下頁下頁圖圖4-23 電容式振動位移傳感器結構示意圖電容式振動位移傳感器結構示意圖上頁上頁返回返回下頁下頁圖圖4-24 電容式振動位移傳感器應用示意圖電容式振動位移傳感器應用示意圖l 接近開關接近開關 指紋識別指紋識別 (a)筆記本指紋識別筆記本指紋識別 (b)指紋識別手

19、機指紋識別手機 (c)汽車防盜指紋識別汽車防盜指紋識別 電容式指紋識別傳感器電容式指紋識別傳感器 （1）電容式鍵盤）電容式鍵盤 常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤的原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變鍵盤的原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，以實現(xiàn)信息的轉換?；詫崿F(xiàn)信息的轉換。 （2）指紋識別）指紋識別指紋識別傳感器中含有指紋傳感芯片，指紋傳感芯片表面由指紋識別傳感器中含有指紋傳感芯片，指紋傳感芯片表面由若干個電容傳感器組成。若干個電容傳感器組成。當人把手指放在傳感器上時，手指充當電容器的另外一個電當人把手指放在傳感器上時，手指充當電容器的另外一個電極。由于手指上存在指紋紋路，且深淺不一致，導致硅表面極。由于手指