第4章 電容式傳感器

1、1電容式傳感器電容式傳感器2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1 傳感器的工作原理及類(lèi)型傳感器的工作原理及類(lèi)型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3 電容傳感器的特性及等效電路電容傳感器的特性及等效電路4 電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)電容式傳感器3電容式傳感器概述概述4概述概述電容式傳感器5電容式接近開(kāi)關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器各種電容式傳感器電容式傳感器概述概述6電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式接近開(kāi)關(guān)在物位

2、測(cè)量控制中的使用演示電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示7電容式傳感器典型應(yīng)用電容式傳感器典型應(yīng)用硅微電容式傳感器硅微電容式傳感器測(cè)量管道液位高度測(cè)量管道液位高度電容式傳感器概述概述81 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型 電容式傳感器是將被測(cè)量電容式傳感器是將被測(cè)量( (如尺寸、壓力等如尺寸、壓力等) )的變化轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的換成電容量變化的-種傳感器。種傳感器。 電容式傳感器dSC1.1 工作原理工作原理由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器，如果屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為為 式

3、中式中 -兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； s-s- -兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；兩個(gè)極板相對(duì)有效面積； d d-兩個(gè)極板間的距離兩個(gè)極板間的距離d9C 電容量，單位：電容量，單位：F 法拉法拉 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，8.8510-12F/m0 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)rS 極板的有效面積（極板的有效面積（m2） 兩平行極板間的距離（兩平行極板間的距離（m）d1、平板電容器1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型dSCr0d10變換原理變換原理: :將被測(cè)量的將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化變化轉(zhuǎn)化為電容量變化dSC+dS d、S或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起發(fā)生

4、變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果只改變其中一電容的變化。如果只改變其中一個(gè)參數(shù)，另兩個(gè)為常數(shù)，則可把個(gè)參數(shù)，另兩個(gè)為常數(shù)，則可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量C C的的變化。再通過(guò)配套的測(cè)量電路，變化。再通過(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 1.1 工作原理工作原理 1、電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型電容傳感器：具有可電容傳感器：具有可變參數(shù)的電容器。變參數(shù)的電容器。變極距、變面積、變介電常數(shù)變極距、變面積、變介電常數(shù)11變極距型傳感器變極距型傳感器1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型12變面積型傳感器變面積型傳感器面積變化型:角位移型,

5、平面線位移型,柱面線位移型.+1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型13變介電常數(shù)型傳感器變介電常數(shù)型傳感器1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型141 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型n改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器n常用的有角位移型和線位移型兩種。+角位移型電容式傳感器 類(lèi)型類(lèi)型一、變面積型電容傳感器一、變面積型電容傳感器線角位移型電容式傳感器151 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型一、變面積型電容傳感器直線位移型電容式傳感器直線位移型電容式傳感器當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離x時(shí)，覆蓋面積時(shí)，覆蓋面積S就發(fā)就發(fā)生變化，電容量生變化，電容量C也隨之改變，其值為：也隨之改變，

6、其值為：xdbCdxabC0)(axCxdbCCC00dbaC0初初態(tài)態(tài)161 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型說(shuō)明：說(shuō)明：(1)電容電容C的變化的變化C與直線位移與直線位移x呈線性關(guān)系；呈線性關(guān)系； (2)增大增大k：減小兩極板間的距離：減小兩極板間的距離d，或增大極板的邊長(zhǎng)，或增大極板的邊長(zhǎng)b可提可提高傳感器的靈敏度，但高傳感器的靈敏度，但d的減小受到電容器擊穿電壓的限的減小受到電容器擊穿電壓的限制，而增大制，而增大b則受到傳感器體積的限制。則受到傳感器體積的限制。(3) 為提高靈敏度可以做成差動(dòng)形式。為提高靈敏度可以做成差動(dòng)形式。 dbaCxCkaxCC0017差動(dòng)結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)結(jié)構(gòu)圖dbaC0

7、0初態(tài)：初態(tài)： C1=C2 =C0初態(tài)初態(tài)：覆蓋長(zhǎng)度a1=a2=a0，寬為b，極距d1=d2=d，左移左移x ：dxabC)(01dxabC)(02xdbxadbxadbCCC20021xdbC181 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度h變化時(shí)，電容量也變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為：隨之變化，其電容為：)/ln(212rrhC圓柱形線位移型電容式傳感器減小平移過(guò)程中極距減小平移過(guò)程中極距d d的影響，常做成圓柱式的影響，常做成圓柱式191 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型20二、變介電常數(shù)型電容傳感器v這種傳感器大多用于測(cè)量電

8、介質(zhì)的厚度這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖圖a)、位移、位移(圖圖b)、液位、液位(圖圖c)。v可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量(圖圖d)等等1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型21dblC10dbaC0dbxCdbxdbldxlbdbxC)()()(12012112無(wú)插入時(shí)：無(wú)插入時(shí)：變介質(zhì)電容傳感器變介質(zhì)電容傳感器l插入插入x時(shí)：時(shí)：12測(cè)位移測(cè)位移21兩者厚度兩者厚度不一致呢不一致呢？dbxC12221221電容傳感器：極板長(zhǎng)電容傳感器：極板長(zhǎng)l、寬為、寬為b、極距為

9、、極距為d測(cè)厚度測(cè)厚度d0d=d1+d2+d0d1d1d2d2d0d0231221電容傳感器：極板長(zhǎng)電容傳感器：極板長(zhǎng)l、寬為、寬為b、極距為、極距為d測(cè)厚度測(cè)厚度d0d=d1+d2+d0d1d1d2d2d0d02010201211220111220111dddbldddbldddblbldbldbldCdbxlCC1)(l替替換換為為x24電容式液位傳感器電容式液位傳感器21CCC)(2)()(212120rrlnhrrlnhhxx)()(2)(2120120rrlnhrrlnhxxnhmCxhh012 r22 r1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型251 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型26三、變

10、極距型電容傳感器（定極板+動(dòng)極板）00dSC)(0 r當(dāng)時(shí)，變極距式電容傳感器有近似線性關(guān)系。所以變極距型電容式感器一般用來(lái)測(cè)量微小變化的量。0dd 1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型dddCddddSdSddSC000000電容器靈敏度：00dCdCk00ddC271 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型d0過(guò)小易引起電容器擊穿或短路2000dsdCk減小初始極距d0。增大初始電容量增大C0；提高靈敏度：弊弊端端對(duì)同樣的變化量d，d0越小，則C的變化量就越大，靈敏度越高，但d/d0也越大，故非線性誤差就越大。解決辦法：在極板間加入一層高介電常數(shù)的材料如：云母、塑料膜等。d=d1+dgd1dg1設(shè)：云母

11、層厚度為dg、介電常數(shù)為 g未加云母111110ggddSddSC加云母層ggddSC1128結(jié)論：結(jié)論： 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d，但受電容器擊，但受電容器擊 穿電壓的限制；穿電壓的限制； 加云母層后，可以大大減小極距，因此，此類(lèi)加云母層后，可以大大減小極距，因此，此類(lèi)傳感器一般用來(lái)測(cè)量微小位移傳感器一般用來(lái)測(cè)量微小位移0.01微米微米 0.9mm。 非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一 定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。 d/d=0.020.1 為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。為改善非

12、線性，可以采用差動(dòng)式?？煞胖酶呓殡姵?shù)材料如云母片可放置高介電常數(shù)材料如云母片。why291 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型302 電容傳感器的靈敏度及非線性變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)極板間只有一種介變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)極板間只有一種介質(zhì)。質(zhì)。 對(duì)單極式電容表達(dá)式為：對(duì)單極式電容表達(dá)式為： 其初始電容值為：其初始電容值為： 當(dāng)極板距離有一個(gè)增量當(dāng)極板距離有一個(gè)增量d 時(shí)，則傳感器電容為：時(shí)，則傳感器電容為： 2 電容式傳感器的靈敏度及非線性dSC00dSC1001CCddSC31000000011)111(ddddCdddSdSddSC時(shí)，當(dāng)1/0dd.130200

13、001ddddddddCC泰勒展開(kāi)泰勒展開(kāi).1302000011dddddddCdCk靈敏度靈敏度：2 電容式傳感器的靈敏度及非線性非線性32v可見(jiàn)靈敏度非常數(shù)；可見(jiàn)靈敏度非常數(shù)；v為了保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的位移量。為了保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的位移量。通常規(guī)定測(cè)量范圍通常規(guī)定測(cè)量范圍 d d PL時(shí)，膜片時(shí)，膜片PL向彎曲，向彎曲，C1C2，；，； PH C2； 將這種電容變化通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電壓變化將這種電容變化通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電壓變化 4.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例834.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例84二、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器4.6 電容式傳

14、感器的應(yīng)用舉例854.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 電容測(cè)深度、角度電容測(cè)深度、角度 動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示三、電容式料位計(jì) 用于水泥、化工、罐裝用于水泥、化工、罐裝 等傳感器靜電容：等傳感器靜電容：10CCCdDhdDlCSln)(2ln200864.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例四、電容測(cè)位移案例案例1.1.振動(dòng)位移測(cè)量振動(dòng)位移測(cè)量 案例案例2.2.旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量 874.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金電容測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度變化。度變化。 帶材是電容的動(dòng)極板，帶材是電容的動(dòng)極板，總電容總電容C

15、C1 1+C+C2 2作為橋臂。作為橋臂。 帶材只是上下波動(dòng)時(shí)帶材只是上下波動(dòng)時(shí)C Cx x=C=C1 1+C+C2 2總的電容量不變；總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容帶材的厚度變化使電容C Cx x變化。變化。 884.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例智能型電容傳感器智能型電容傳感器 硅微型電容傳感器結(jié)構(gòu)894.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 1 1 加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2 信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 3 3 襯底襯底 4 4 底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5 多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6 頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極）硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速

16、度傳感器原理 904.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將路將C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 以上。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加如果在殼體

17、內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。度。914.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 加速度傳感器安裝在轎車(chē)上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車(chē)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。 裝有傳感器裝有傳感器的假人的假人氣囊氣囊加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用 924.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速

18、充氣 。 汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用934.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例傳感器安裝位置傳感器安裝位置利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)延時(shí)起爆的鉆地炸彈起爆的鉆地炸彈944.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳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。當(dāng)相感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所

19、以電容量增大。），所以電容量增大。 濕敏電容濕敏電容 954.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜濕敏電容外形濕敏電容外形964.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形974.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例在野外的使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型帶報(bào)警器的家庭使用型濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用984.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有在油箱內(nèi)，裝有類(lèi)似衛(wèi)生間水箱里的類(lèi)似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤(pán)電位器，電阻絲式圓盤(pán)電位器，由電流表指示出油量。由電流表

20、指示出油量。電容式油量表電容式油量表 994.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

21、x 處）。處）。電容式油量表電容式油量表 1004.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例1014.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 該油量表該油量表可用于飛機(jī)可用于飛機(jī)油箱油箱1024.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例投入式液位計(jì)投入式液位計(jì)用于測(cè)量液體的液位 1034.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例測(cè)量時(shí)，電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料。測(cè)量時(shí)，電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)空氣的介電常數(shù)0l，被測(cè)物的介電常數(shù)為，被測(cè)物的介電常數(shù)為r。物位變化時(shí)，。物位變化時(shí)，電容器的電容變化值電容器的電容變化值C與被測(cè)材料的物位高度與被測(cè)材料的物位高度x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。1044.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、被檢測(cè)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）含水的物體（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，也；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是不接地的。 調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。 在高頻振蕩型電容式接近開(kāi)關(guān)中，以高頻振蕩器（在高頻振蕩型電容式接近開(kāi)關(guān)中，以高頻振蕩器（LC振蕩振蕩器）中的電容