第05章 電容式傳感器

第五章電容式傳感器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)）電容式傳感器的性能特點(diǎn)電容式傳感器的等效和測量電路電容式傳感器的應(yīng)用容柵式傳感器本章內(nèi)容：測量技術(shù)基礎(chǔ)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,它的電容量為:+++

A

δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。變極距型變面積型變介質(zhì)型傳感器類型§5.1電容式傳感器的工作原理一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型變極距：

δ取值不能大，否則將降低靈敏度一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型差動電容變化量優(yōu)點(diǎn)：1、減小非線性誤差2、提高傳感器靈敏度3、減小寄生電容的影響4、減小溫度、濕度等環(huán)境因素的影響實(shí)際應(yīng)用常采用差動式結(jié)構(gòu)。C2C1d1d2ε0ε0Δδ一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型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(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。

一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型指紋識別指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型

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)用戶的手指放在上面時，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化。指紋識別一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型二、變面積型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型(a)極板上覆蓋有介質(zhì)(b)介質(zhì)可移動三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品.電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容

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.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。三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型

1.溫度穩(wěn)定性好；

2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)；

3.動態(tài)響應(yīng)好；

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；

2、寄生電容影響大；

3、輸出特性非線性。優(yōu)點(diǎn):§5.3電容式傳感器的性能特點(diǎn)消除寄生電容方法1、減小連線電纜長度;2、采用等電位驅(qū)動技術(shù)?！?.3電容式傳感器的性能特點(diǎn)(1)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，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。rC0CPRgL§5.4電容式傳感器的測量電路低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

CeRg§5.4電容式傳感器的測量電路高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈rreCeL§5.4電容式傳感器的測量電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路二極管雙T型交流電橋電橋測量電路脈沖寬度調(diào)制電路測量電路類型(2)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，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。§5.4電容式傳感器的測量電路結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=

，輸入阻抗Zi=

仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

運(yùn)算放大電路§5.4電容式傳感器的測量電路調(diào)頻測量電路§5.4電容式傳感器的測量電路電橋電路文氏式電容測量電橋§5.4電容式傳感器的測量電路變壓器式電橋電路(a)變壓器式電橋原理圖(b)測量電路電橋電路§5.4電容式傳感器的測量電路

差動脈沖調(diào)寬電路

利用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。脈沖寬度調(diào)制電路圖脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形§5.4電容式傳感器的測量電路設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2

差動變極距型差動變面積型特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器具有理論上的線性特性

采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高;

不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求;

不需要相敏檢波與解調(diào)等; 對元件無線性要求;

經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓;

對輸出矩形波的純度要求不高。

差動脈沖調(diào)寬電路§5.4電容式傳感器的測量電路1、電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變化。聚四氟乙烯外套§5.5電容式傳感器的應(yīng)用2、硅微加工加速度傳感器加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖?！?.5電容式傳感器的應(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，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。裝有傳感器的假人氣囊§5.5電容式傳感器的應(yīng)用利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置§5.5電容式傳感器的應(yīng)用

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)相對濕度增大時，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)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。3、濕敏電容§5.5電容式傳感器的應(yīng)用3、濕敏電容模塊及傳感器§5.5電容式傳感器的應(yīng)用吸水高分子薄膜在野外的使用帶報警器的家庭使用型3、濕敏電容傳感器的安裝使用§5.5電容式傳感器的應(yīng)用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)被測物不同來改變動作距離。5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用齊平式非齊平式5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用

電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺a)測振幅被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器8、電容式位移傳感器應(yīng)用§5.5電容式傳感器的應(yīng)用(1)容柵式傳感器基本概念

容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型傳感器。它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)，又具有多極電容帶來的平均效應(yīng)，而且采用閉環(huán)反饋式等測量電路減小了寄生電容的影響、提高了抗干擾能力、提高了測量精度(5μm)、極大地擴(kuò)展了量程(可達(dá)1m)，是一種很有發(fā)展前途的傳感器。將電容傳感器中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測量電路就構(gòu)成了容柵測量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨(dú)特的測量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，適宜進(jìn)行大位移測量。§5.6容柵式傳感器(2)工作原理及基本類型工作原理：一個極板由均勻排列電極的長柵(定柵)組成，另一個極板由一對相同尺寸的交錯對插電極梳(動?xùn)?組成。運(yùn)行時，傳感器的兩個電極柵片相對安裝，其中暗區(qū)域是兩個電極柵的重疊面積，形成一對隨位移反向變化的差動電容器C1和C2。傳感器仍采用傳統(tǒng)差動變壓器測量電路，但通過將電容極板刻成柵狀提高了測量精度并實(shí)現(xiàn)了大位移測量。定柵動?xùn)艑Α?.6容柵式傳感器長容柵長容柵圓容柵片狀柱狀基本類型(2)工作原理及基本類型§5.6容柵式傳感器n－動尺柵級片數(shù)a,b－柵極片長度和寬度(2)工作原理及基本類型§5.6容柵式傳感器片狀圓容柵r2,r1

－圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑

a－每條柵極片對應(yīng)的圓心角（rad）(2)工作原理及基本類型§5.6容柵式傳感器柱狀圓容柵(2)工作原理及基本類