【課件】傳感器及檢測(cè)技術(shù)-電容式傳感器

第4章電容式傳感器指紋識(shí)別傳感器圖為IBMThinkpadT42/T43的指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為其次代指紋識(shí)別系統(tǒng)。下圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖：電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/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）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變更。電容式指紋識(shí)別傳感器它的優(yōu)點(diǎn)：體積小成本低成像精度高耗電量很小，因此特殊適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中運(yùn)用。第四章

電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料、工藝，特殊是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。第一節(jié)工作原理與類型一、工作原理用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽視邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為S—極板相對(duì)覆蓋面積；d—極板間距離；εr—相對(duì)介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。d、S和εr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變更時(shí)，就變更了電容C。d或S的變更可以反映線位移或角位移的變更，也可以間接反映壓力、加速度等的變更；εr的變更則可反映液面高度、材料厚度等的變更。Sdε二、類型三種基本類型：變極距(變間隙)(d)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(εr)型表4-1列出了電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。位移：線位移和角位移兩種。極板形態(tài)：平板或圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其他的形態(tài)，但一般很少用，故表中未列出。其中差動(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。(1)變極距型電容傳感器

圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變更而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變更，從而使電容量產(chǎn)生變更，其電容變更量ΔC為d2變極距型電容傳感器1該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或接受適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。CC0C-特性曲線C0—極距為時(shí)的初始電容量。延長(zhǎng)：線性度分析假如滿足由于：則有：略去高次(非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為:

此處理方法的相對(duì)誤差為：上探討可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|Δd/d|很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線性輸出；(2)靈敏度S與初始極距d的平方成反比，故可用削減d的方法來(lái)提高靈敏度。例如在電容式壓力傳感器中，常取d＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之間。由于變極距型的辨別力極高，可測(cè)小至0.01μm的線位移，故在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)可提高靈敏度與線性度差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析靈敏度提高一倍非線性減小(2)變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變更特殊敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變更的影響很小，成為實(shí)際中最常接受的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽視邊緣效應(yīng)時(shí)為l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r2、r1—圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)Δl時(shí)，電容變更量ΔC為這類傳感器具有良好的線性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。(3)變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可依據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度變更而變更來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽視邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被測(cè)厚度的關(guān)系為：dx厚度傳感器C1C2C3Cdx厚度傳感器C1C2C3C變介電常數(shù)型電容傳感器若忽視邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被測(cè)位移的關(guān)系為：C1C2C3CC4a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度；d:兩固定極板間的距離；dx、ε、ε0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。l平板形lx例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：若忽視邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被測(cè)液位的關(guān)系為可見，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。

液位傳感器hC1CC22r12r2hx其次節(jié)轉(zhuǎn)換電路一、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本身的電感：r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；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻，它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介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。C0CpRgLr供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/2全部這些參量的作用因工作的具體狀況不同而不同。在低頻時(shí)，傳感器電容的阻抗特殊大，因此L和r的影響可以忽視。其等效電路可簡(jiǎn)化為圖4-4b，其中等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg。CeReLreCe在高頻時(shí)，傳感器電容的阻抗變小，因此L和r的影響不行忽視，而漏電的影響可忽視。其等效電路簡(jiǎn)化為圖4-4c。其中Ce=C0+Cp，而re≈r。引線電纜的電感很小，只有工作頻率在10MHz以上時(shí)，才考慮其影響。而且實(shí)際運(yùn)用時(shí)保證與標(biāo)定時(shí)的接線等條件相同，即可消退L的影響。C0CpRgLrLreCe由圖可得傳感器等效電容C為式中，w為傳感器電源角頻率。由于電容傳感器的電容量一般都很小，電源頻率即使接受幾兆赫，容抗仍很大，而re很小可以忽視。因此，此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為式中，⊿為被測(cè)變量。由上式可知：當(dāng)電容傳感器的供電電源頻率較高(幾百千赫至幾兆赫)時(shí)，傳感器靈敏度由kg增加到k；k與傳感器的固有電感(包括電纜電感)有關(guān)；k隨w變更而變更。因此，變更傳感器供電電源頻率(即轉(zhuǎn)換電路工作頻率)或更換傳感器至轉(zhuǎn)換電路的引線電纜后。必需對(duì)整個(gè)儀器重新標(biāo)定。測(cè)量時(shí)應(yīng)與標(biāo)定時(shí)所處的條件相同，即電纜長(zhǎng)度不能變更，傳感器供電電源頻率不能變更。將電容式傳感器接入溝通電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響微小、大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋運(yùn)用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多接受。二、電橋電路特點(diǎn)：①高頻溝通正弦波供電；②電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)微小，需接受穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必需工作在平衡位置旁邊，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)接受自動(dòng)平衡電橋；④輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必需后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。三、二極管雙T形電路電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波。若將二極管志向化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。其中二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE。(b)ＵｏR2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)電路的工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí),二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止,于是電容C1充電;在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí),電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1,負(fù)載電阻RL放電,流過(guò)RL的電流為Ic1。C2UE(b)ＵｏR2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLR1R2R1R2++++iC1iC2i’C1i’C2C2UE(b)ＵｏR2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLR1R2R1R2++++iC1iC2i’C1i’C2電路的工作原理如下：在負(fù)半周內(nèi),VD2導(dǎo)通、VD1截止,則電容C2充電;在隨后出現(xiàn)正半周時(shí),C2通過(guò)電阻R2,負(fù)載電阻RL放電,流過(guò)RL的電流為Ic2依據(jù)上面所給的條件,則電流Ic1=Ic2,且方向相反,在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零+C1UERLR1R2+iC1iC2C2RLR1R2+iC1iC2UE

C2C1UERLR1R2++iC1iC2UE

=則輸出電流在一個(gè)周期T內(nèi)對(duì)時(shí)間的平均值為適當(dāng)選擇線路中元件參數(shù)及電源頻率f,使k1>5,k2>5,則下式中的指數(shù)項(xiàng)在總輸出中的比例將小于1%，可將其忽視。故輸出電壓的平均值為由式可見，輸出電壓與電源電壓E的幅值大小有關(guān)，而且還與電源頻率有關(guān)，因此，要求穩(wěn)壓，穩(wěn)頻。另外輸出與C1-C2有關(guān)，而不是與(C1-C2)/(C1+C2)有關(guān)，因此原理上只能減小非線性，而不能完全消退。C2C1UERLR1R2++UE

i1

i2

iL同理正半周可得四、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路又稱差動(dòng)脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路利用對(duì)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更而變更。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變更的直流信號(hào)。右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路GR2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUrG設(shè)接通電源時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端(即A點(diǎn))為高電位，Q非端為低電位。因此A點(diǎn)通過(guò)R1對(duì)C1充電，直至F點(diǎn)的電位等于參考電壓Ur時(shí)，比較器A1輸出脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)榈碗娢唬琎非端(即B點(diǎn))變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)F點(diǎn)電位Ur經(jīng)二極管VD1快速放電至零，同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)R2向C2充電，當(dāng)G點(diǎn)電位充至Ur時(shí)，比較器A2輸出脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)，Q端又變?yōu)楦唠娢?，Q非端變?yōu)榈碗娢弧Ｈ绱酥芏鴱?fù)始。則在A、B兩點(diǎn)分別輸出寬度受C1、C2調(diào)制的矩形脈沖。tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U0uAuBuAB-U1U1000U1U1tttU0UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為UA、UB—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流重量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為設(shè)R1＝R2＝R，則因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為、和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對(duì)差動(dòng)式變極距型和變面積型電容式傳感器可得可見差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是特殊珍貴的性質(zhì)。在此指出：具有這個(gè)特性的電容測(cè)量電路還有差動(dòng)變壓器式電容電橋和由二極管T形電路經(jīng)改進(jìn)得到的二極管環(huán)形檢彼電路等。另外，差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路接受直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不須要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。五、運(yùn)算放大器式電路其最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖將Cx=代入上式得-A～uoCCxu∑運(yùn)算放大器式電路原理圖負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相。明顯，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=∞，輸入阻抗Zi=∞，因此照舊存在確定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。第三節(jié)主要性能、特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變更則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必需消退和減小它?？山邮芊椒ǎ?．消退和減小寄生電容的影響（1）增加傳感器原始電容值（2）留意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）接受“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）接受運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法（1）增加傳感器原始電容值

接受減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2—0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來(lái)增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變更在10-3—103pF范圍內(nèi)。（2）留意傳感器的接地和屏蔽圖為接受接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)。可動(dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，它與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消退了由此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。引線電纜也必需屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能運(yùn)用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級(jí)的距離。絕緣體屏蔽殼固定極筒可動(dòng)極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖（3）集成化

將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合運(yùn)用。

（4）接受“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些緣由(如環(huán)境溫度較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可接受“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過(guò)1:1放大器成為等電位，從而消退了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變更而變更的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。接受這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(精確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路困難，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。1：1＋－測(cè)量電路前置級(jí)外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理圖當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百μF)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可接受一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。（6）整體屏蔽法將電容式傳感器和所接受的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器溝通電橋所接受的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定幫助阻抗臂Z1和Z2中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容CP1和CP2分別與Z1和Z2相并聯(lián)。假如Z1和Z2比CP1和CP2的容抗小得多，則寄生電容CP1和CP2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。～溝通電容電橋的屏蔽系統(tǒng)Cr1Cr2CP1CP2Z1Z2-A還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容Cr1和Cr2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)10m以上時(shí)仍能測(cè)出1pF的電容。

電容式傳感器的原始電容值較大（幾百pF）時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可接受一般的同軸屏蔽電纜。電纜長(zhǎng)達(dá)10m時(shí)，傳感器也能正常工作?！獵r1Cr2CP1CP2Z1Z2-A4．防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場(chǎng))在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀器無(wú)法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來(lái)誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為：

屏蔽和接地。用良導(dǎo)體作傳感器殼體；將傳感元件包圍起來(lái)，并牢靠接地；用金屬網(wǎng)套住導(dǎo)線彼此絕緣(即屏蔽電纜)，金屬網(wǎng)牢靠接地；用雙層屏蔽線牢靠接地；用雙層屏蔽罩且牢靠接地；傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)一起裝在良好屏蔽殼體內(nèi)并牢靠接地等等。4．防止和減小外界干擾增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必需平行排列時(shí)，可接受同軸屏蔽電纜線。盡可能一點(diǎn)接地，避開多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。接受差動(dòng)式電容傳感器，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溫度、濕度等誤差。第五節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用

電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.01um至數(shù)十毫米、精度可達(dá)0.002um、辨別率可達(dá)0.001nm。變面積型的能測(cè)量量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于0.2%、辨別率為0.01～0.001um。電容式角度和角位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為0.1″至幾十度，辨別率約0.1″，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級(jí)，廣泛用于精密測(cè)角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測(cè)振幅傳感器可測(cè)峰值為0～50μm、頻率為10～2kHz，靈敏度高于0.01μm，非線性誤差小于0.05μm。上圖為一種變面積型電容式位移傳感器。它接受差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、圓柱形電極，與測(cè)桿相連的動(dòng)電極隨被測(cè)位移而軸向移動(dòng)，從而變更活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極之間的覆蓋面積，使電容發(fā)生變更。它用于接觸式測(cè)量，電容與位移呈線性關(guān)系。一、電容式位移傳感器二、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示。質(zhì)量塊3由兩根簧片4支承置于殼體6內(nèi)，彈簧較硬使系統(tǒng)的固有頻率較高，因此構(gòu)成慣性式加速度計(jì)的工作狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體6固定在一起的兩固定極板1相對(duì)質(zhì)量塊3運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板1與質(zhì)量塊3的A面(磨平拋光)組成的電容Cx1以及下固定極板1與質(zhì)量塊3的B面(磨平拋光)組成的電容Cx2隨之變更，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。圖4-29是電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)、能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)。它是由兩個(gè)玻璃圓盤和一個(gè)金屬(不銹鋼)膜片組成。兩玻璃圓盤上的凹面深約25μm，其上各鍍以金作為電容式傳感器的兩個(gè)固定極板，而夾在兩凹圓盤中的膜片則為傳感器的可動(dòng)電極，則形成傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容C1、C2。當(dāng)兩邊壓力p1、p2相等時(shí)，膜片處在中間位置與左、右固定電容間距相等，因此兩個(gè)電容相等；當(dāng)p1＞p2時(shí)，膜片彎向p2，那么兩個(gè)差動(dòng)電容一個(gè)增大、一個(gè)減小，且變更量大小相同；當(dāng)壓差反向時(shí)，差動(dòng)電容變更量也反向。這種差壓傳感器也可以用來(lái)測(cè)量真空或微小確定壓力，此時(shí)只要把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。三、電容式差壓傳感器常規(guī)的鍵盤有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過(guò)按鍵變更電極間的距離產(chǎn)生電容量的變更，短暫形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件理論上這種開關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率微小甚至可以忽視不計(jì)，也沒有接觸不良的隱患，噪音小，簡(jiǎn)潔限制手感，可以制造出高質(zhì)量的鍵盤工藝較機(jī)械結(jié)構(gòu)困難其它應(yīng)用：電容式鍵盤其它應(yīng)用：電容式鍵盤此種鍵盤即利用極距式電容傳感器以實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換其它應(yīng)用：濕度測(cè)量濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國(guó)防、科研、航天等部門，常常須要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及限制當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變更時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變更，使其電容量也發(fā)生變更，其電容變更量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高產(chǎn)品互換性好響應(yīng)速度快濕度的滯后量小便于制造簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)小型化和集成化

其精度一般比濕敏電阻要低一些第四節(jié)電容式傳感器應(yīng)用舉例2、容柵式傳感器容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，而且接受閉環(huán)反饋式等測(cè)量電路減小了寄生電容的影響、提高了抗干擾實(shí)力、提高了測(cè)量精度(可達(dá)5?m)、極大地?cái)U(kuò)展了量程(可達(dá)1m)。容柵式傳感器是一種很有發(fā)展前途的傳感器?，F(xiàn)已應(yīng)用于數(shù)顯卡尺、測(cè)長(zhǎng)機(jī)等數(shù)顯量具。將電容傳感器中的電容極板刻成確定形態(tài)和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電路就構(gòu)成了容柵測(cè)量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。一、工作原理及轉(zhuǎn)換電路在圖中左側(cè)，一個(gè)極板由勻整排列電極的長(zhǎng)柵(定柵)組成，另一個(gè)極板由一對(duì)相同尺寸的交織對(duì)插電極梳(動(dòng)?xùn)艑?duì))組成。(一)開環(huán)調(diào)幅式測(cè)量原理運(yùn)行時(shí)，傳感器的兩個(gè)電極柵片相對(duì)安裝如下圖，其中暗區(qū)域是兩個(gè)電極柵的重疊面積，從而形成一對(duì)隨位移反向變更的差動(dòng)電容器C1和C2。傳感器仍接受傳統(tǒng)差動(dòng)變壓器測(cè)量電路，但通過(guò)將電容極板刻成柵狀提高了測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)了大位移測(cè)量。(二)閉環(huán)調(diào)幅式測(cè)量原理其中下圖是系統(tǒng)原理圖。圖中A、B為動(dòng)尺上的兩組電極片，P為定尺上的一片電極片，它們之間構(gòu)成差動(dòng)電容器CA、CB。(二)閉環(huán)調(diào)幅式測(cè)量原理兩組電極片A和B各由四片小電極片組成，在位置a時(shí)，一組為小電極片1～4，另一組為5～8。方波脈沖限制開關(guān)S1和S2，輪番將參考直流電壓±U0和測(cè)量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸出電壓Um分別接入兩個(gè)小電極組A和B。若系統(tǒng)保證電容極板P為虛地，則在一個(gè)周期內(nèi)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)差動(dòng)電容CA和CB在電容極板P上產(chǎn)生的電荷量QP為(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。當(dāng)QP為零時(shí)，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路保證Um不變；否則導(dǎo)致測(cè)量轉(zhuǎn)換電路使Um變更，并保證其變更使QP的值減小，直至為零。這時(shí)，由上面可推導(dǎo)出：則輸出直流電壓與位移成線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)位移量超過(guò)l0(小電極片的間距)即L0/4時(shí)，由限制電路自動(dòng)變更小電極片組的接線，見圖中位置b，這時(shí)電極片組1由小電極片2～5構(gòu)成；電極片組2由小電極片6～9構(gòu)成。這樣，在電極片P相對(duì)移動(dòng)的過(guò)程中，能保證始終與不同的小電極片形成同樣的差動(dòng)電容器，重復(fù)前述過(guò)程，而得到與位移成線性關(guān)系的輸出電壓。該測(cè)量系統(tǒng)由輸出電壓來(lái)調(diào)整激勵(lì)電壓，形成閉環(huán)反饋式測(cè)量系統(tǒng)。因而具有下節(jié)所述閉環(huán)反饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且還使寄生電容的影響大為減小。電路困難是其主要缺點(diǎn)。(三)調(diào)相式測(cè)量原理調(diào)相式測(cè)量原理如圖4-25所示。容柵傳感器一個(gè)極板K由數(shù)個(gè)發(fā)射極片組形成，每個(gè)極片組中有八個(gè)寬度均為l0的放射極片，分別加以八個(gè)幅值為Um、頻率為ω、相位依次相差П/4的正弦激勵(lì)電壓；另一個(gè)極板由很多反射極片M和接地的屏蔽極片S形成；還有一個(gè)接受極片R。等效電路UMUR由此，可以推導(dǎo)出可見，傳感器輸出一個(gè)與激勵(lì)同頻的正弦波電壓，其幅值近似為常數(shù)k，而其相位θ則與被測(cè)位移x近似成線性關(guān)系。通常采用相位跟蹤法測(cè)出相位角θ。

當(dāng)被測(cè)位移x超過(guò)l0時(shí)，則重復(fù)上述過(guò)程，勿需變更放射極片的接線即可實(shí)現(xiàn)大位移測(cè)量。明顯，調(diào)相式測(cè)量系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾實(shí)力，但由上式可知它在原理上存在非線性誤差(0.01l0)，而且當(dāng)用方波電壓激勵(lì)時(shí)還存在高次諧波的影響，結(jié)果導(dǎo)致測(cè)量精度下降。二、容柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式(一)反射式此結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，運(yùn)用便利，但移動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)軌的誤差對(duì)測(cè)量精度影響較大。二、容柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式(二)透射式它是一個(gè)開有勻整間隔矩形窗口的金屬帶和測(cè)量裝置組成。在測(cè)量裝置的兩側(cè)分別固定著一個(gè)公共接收電極板和一個(gè)與圖4-26中一樣的有一系列小放射電極片的極板，而金屬帶則在測(cè)量裝置的中間通過(guò)并隨被測(cè)位移一起移動(dòng)。放射電極通過(guò)金屬帶上的矩形窗口與接收電極形成耦合電容，而金屬帶則代替圖4-26中的屏蔽極起屏蔽作用。這種結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是：測(cè)量調(diào)整便利、安裝誤差和運(yùn)行誤差的影響大為降低。但其制造安裝困難。(三)傾斜式它是將圖4-26中的一系列小放射電極均傾斜一個(gè)角度α，而其它電極柵片不變所形成的，圖4-28給出其動(dòng)?xùn)艠O片形態(tài)。它可以消退圖4-24中測(cè)量系統(tǒng)在變更小電極片組的接線時(shí)，由于小放射極片間隙與接收電極片邊緣不志向所產(chǎn)生的突變誤差,因此它對(duì)加工精度要求不高。二、容柵傳感器的結(jié)構(gòu)形式3力平衡式電容傳感器（一）、閉環(huán)反饋式傳感器的原理與特點(diǎn)通常傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成的如圖0-1所示的開環(huán)系統(tǒng)。將廣泛應(yīng)用的“反饋”技術(shù)引入傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)，不僅可以大大地改善系統(tǒng)性能，提高測(cè)量精度，而且能解決某些開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法解決的問(wèn)題。閉環(huán)傳感器原理框圖示于圖4-23，一般是把系統(tǒng)輸出(通常為電量)通過(guò)反饋環(huán)節(jié)變更成反饋量(通常為非電量)，然后與輸入進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)。此偏差信號(hào)經(jīng)前向環(huán)節(jié)放大后調(diào)整反饋量，直至偏差信號(hào)為零的平衡狀態(tài)，此時(shí)輸出即為測(cè)得值。這種傳感器也被稱作平衡式傳感器。它接受的比較和平衡方式有力和力矩平衡、電流平衡、電壓平衡、電荷平衡、熱流量平衡、溫度平衡等。常用的反饋元件有線位移和角位移動(dòng)圈元件以及壓電器件等為保