第05章電容式傳感器

1、胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院第五章第五章 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型（極距、面積、介質(zhì)）電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型（極距、面積、介質(zhì)） 電容式傳感器的性能特點電容式傳感器的性能特點 電容式傳感器的等效和測量電路電容式傳感器的等效和測量電路 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 容柵式傳感器容柵式傳感器本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：測量技術(shù)基礎(chǔ)測量技術(shù)基礎(chǔ)胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院變換原理：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為

2、電容量變化變換原理：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AArC0+ A 、A或或發(fā)生變化時，都會發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。引起電容的變化。變極距型變極距型變面積型變面積型變介質(zhì)型變介質(zhì)型傳感器類型傳感器類型5.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電

3、工程學(xué)院 CCC0011/ CC 02311/CC0(/) 0.9mmm01051101.一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院CC2102412ccc 優(yōu)點：優(yōu)點：1、減小非線性誤差、減小非線性誤差2、提高傳感器靈敏度、提高傳感器靈敏度3、減小寄生電容的影響、減小寄生電容的影響4、減小溫度、濕度等環(huán)境、減小溫度、濕度等環(huán)境因素的影響因素的影響實際應(yīng)用常采用差動式結(jié)構(gòu)。實際應(yīng)用常采用差動式結(jié)構(gòu)。C2C1d1d200一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器

4、的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積

5、小、性能優(yōu)越、使用方便。體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院指紋識別指紋識別 指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低，第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。類電子產(chǎn)品中使用。 右圖為指紋經(jīng)過處理后的右圖為指紋經(jīng)過處理后的成

6、像圖：成像圖：一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院 指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/ /絕緣物絕緣物/ /皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之

7、間的距離不同而變化。與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。指紋識別指紋識別一、間隙變化型一、間隙變化型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院二、變面積型二、變面積型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院(a) 極板上覆蓋有介質(zhì)極板上覆蓋有介質(zhì)(b) 介質(zhì)可移動介質(zhì)可移動三、變介質(zhì)型三、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院

8、物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計電容式液位傳感器（液位計/ /料位計）料位計）三、變介質(zhì)型三、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)三、變介質(zhì)型三、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測電容被測電容三、變介質(zhì)型三

9、、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院 測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化隨之發(fā)生變化. .接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。三、變介質(zhì)

10、型三、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院三、變介質(zhì)型三、變介質(zhì)型5.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院 1. 1. 溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 2. 2. 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強；結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強； 3. 3. 動態(tài)響應(yīng)好；動態(tài)響應(yīng)好； 4. 4. 可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)?？梢詫崿F(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。缺點：缺點：1 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；、輸出阻抗高、

11、負(fù)載能力差；2 2、寄生電容影響大；、寄生電容影響大； 3 3、輸出特性非線性。、輸出特性非線性。優(yōu)點優(yōu)點: :5.3 電容式傳感器的性能特點電容式傳感器的性能特點胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院消除寄生電容方法消除寄生電容方法1、減小連線電纜長度、減小連線電纜長度;2、采用等電位驅(qū)動技術(shù)。、采用等電位驅(qū)動技術(shù)。5.3 電容式傳感器的性能特點電容式傳感器的性能特點胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院(1) 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路L 包括引線電纜電感和電容式傳感器

12、本身的電感；包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r 由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；電容；Rg是極間等效漏電阻，包括：極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、是極間等效漏電阻，包括：極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗。極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗。rC0CPRgL5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電

13、工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院低頻等效電路低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，傳感器電容的阻抗非常大，L和和r的影響可忽略的影響可忽略等效電容等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻等效電阻ReRg CeRg5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院高頻等效電路高頻等效電路 電容的阻抗變小，電容的阻抗變小，L和和r的影響不可忽略，漏電的影響不可忽略，漏電的影響可忽略的影響可忽略 ，其中，其中Ce=C0+Cp，而，而rer reCeLRCjLjCje115.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器

14、的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院調(diào)頻電路調(diào)頻電路運算放大器式電路運算放大器式電路二極管雙二極管雙T型交流電橋型交流電橋電橋測量電路電橋測量電路脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路測量電路類型測量電路類型(2) 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都非常小，電容式傳感器中電容值以及電容變化值都非常小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，不便于傳輸。因此必須借助于也很難為記錄儀所接受，不便于傳輸。因此必須

15、借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院電橋電路電橋電路文氏式電容測量電橋文氏式電容測量電橋5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥

16、胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院變壓器式電橋電路變壓器式電橋電路(a) 變壓器式電橋原理圖變壓器式電橋原理圖(b) 測量電路測量電路電橋電路電橋電路5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院1、電容式液位計、電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外面棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變電極與導(dǎo)電液體之間的電容變化?；?。 聚四氟乙烯外套聚四氟

17、乙烯外套5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院2、硅微加工加速度傳感器、硅微加工加速度傳感器加速度傳感器以微細(xì)加加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其量慣性力或重力加速度。其工作電壓為工作電壓為2.75.25V，加速，加速度測量范圍為數(shù)個度測量范圍為數(shù)個g，可輸出，可輸出與加速度成正比的電壓也可與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的輸出占空比正比于加速度的PWM 脈沖。脈沖。5.5 電容

18、式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器裝有傳感器的假人的假人氣囊氣

19、囊5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院利用加速度傳感器實現(xiàn)利用加速度傳感器實現(xiàn) 延時起爆的鉆地炸彈延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的當(dāng)相對濕度增大時，吸濕性介

20、質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為大為增加（水的相對介電常數(shù)為8080），所以電），所以電容量增大。容量增大。 3、濕敏電容、濕敏電容5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院3、濕敏電容模塊及傳感器、濕敏電容模塊及傳感器5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院在野外的使用在野外的使用帶報警器

21、的家庭使用型帶報警器的家庭使用型3、濕敏電容傳感器的安裝使用、濕敏電容傳感器的安裝使用5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院龍巖學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。來改變動作距離。 5 5、電容式接