電容式傳感器

1、第4章 電容式傳感器 Capacitive Sensors4 電容式傳感器4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理4.2 4.2 測量電路測量電路4.3 4.3 保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法4.4 4.4 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用電容式傳感器電容式傳感器 目的要求 （1）掌握電容式傳感器的工作原理，了）掌握電容式傳感器的工作原理，了解其結(jié)構(gòu)及分類。解其結(jié)構(gòu)及分類。（2）了解常用的電容式傳感器測量電路）了解常用的電容式傳感器測量電路的種類及功能。的種類及功能。 （3）掌握電容式傳感器的應用場合和應）掌握電容式傳感器的應用場合和應用方

2、法，理解它們的工作過程。用方法，理解它們的工作過程。電容式傳感器電容式傳感器指紋識別系統(tǒng) 電容式傳感器電容式傳感器一、電容式傳感器的組成 電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感元件，通過傳感元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容的量的變化，隨后由測量電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號輸出，完成對被測物理量的測量。 圖圖3-3 電容式傳感器的組成框圖電容式傳感器的組成框圖 電容式傳感器電容式傳感器圖圖3-4 電容式液位計中的電容傳感器電容式液位計中的電容傳感器 一、電容式傳感器的組成電容式傳感器電容式傳感器4.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理及類型2. 變面積型電容傳感器3. 變介電常數(shù)型

3、電容傳感器4. 變極距型電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器什么是電容器？電容器有兩個用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真電容器有兩個用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導體構(gòu)成?？崭糸_的電導體構(gòu)成。電電容容導體上的電荷導體上的電荷導體之間的電壓差導體之間的電壓差QCV電容式傳感器電容式傳感器工作原理0 rSSCdd S 極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積； d 極板間距離；極板間距離； r相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)（真空介電常數(shù)（8.85pF/m）；）； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 S電容式傳感器電容式傳感器當被測參數(shù)變化使得當被測參數(shù)變化使得S、

4、d或或發(fā)生變化時，電容量發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。也隨之變化。電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變間隙（極距）型、變面積型變間隙（極距）型、變面積型和和變介電常數(shù)變介電常數(shù)（介質(zhì)）型（介質(zhì)）型三種。三種。4.1.1 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器電容式線位移傳感器電容式線位移傳感器當動極板相對于定極板沿著長度當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為方向平移時，其電容變化量化為0000()rrrax bCCCdabxbdd C與與x間呈線性關(guān)系間呈線性關(guān)系 電容式傳感器電容式傳感器電容式角位移傳感器電容式角位移傳感器 0000dsCr0000(1)(1)rsCCd

5、當當=0時時 當當0時時傳感器電容量傳感器電容量C與角位移與角位移間呈線性關(guān)系，但如果輸間呈線性關(guān)系，但如果輸出是出是 ，則是非線性關(guān)系。，則是非線性關(guān)系。 01Xj C電容式傳感器電容式傳感器4.1.2 變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器dsCr00若若d/dC2C1=C2 4.2.3 運算放大器電路運算放大器電路：能克服變極距型電容傳感器的非線性能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖uC- -ACxu0電容式傳感器電容式傳感器uCCux00 uCudS 調(diào)頻電路將電

6、容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分。當被測量發(fā)生變化時，電容Cx隨之變化，使得振蕩器頻率f 產(chǎn)生相應的變化，計算機測得頻率f 的變化就可算得Cx的數(shù)值。由于該振蕩器頻率f 受電容Cx調(diào)制，故該電路稱為調(diào)頻電路。圖3-9所示為LC振蕩器調(diào)頻電路框圖。4.2.4 4.2.4 調(diào)頻電路調(diào)頻電路電容式傳感器電容式傳感器 在圖3-9中，LC振蕩器的頻率可由下式?jīng)Q定： （3-7） 在式（3-7）中，L為振蕩器的電感；C為振蕩回路的總電容，包括傳感器電容Cx、諧振回路中的微調(diào)電容C1以及傳感器的電纜分布電容Cc，即 C=Cx+C1+Cc。 振蕩器輸出的高頻電壓是一個受電容控制的調(diào)頻波，調(diào)頻波經(jīng)限幅放大器

7、放大后在鑒頻器中轉(zhuǎn)換為電壓的變化輸出，由儀表指示出來。LCf21 4.2.4 4.2.4 調(diào)頻電路調(diào)頻電路圖圖3-9 調(diào)頻電路的原理框圖調(diào)頻電路的原理框圖 4.2.4 4.2.4 調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)頻電容傳感器調(diào)頻電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器 4.3.1 減小邊緣效應的影響減小邊緣效應的影響4.3 保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法邊緣效應所引起的非線性與變極距型電容式邊緣效應所引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，因此在一傳感器原理上的非線性恰好相反，因此在一定程度上起了補償作用，但傳感器靈敏度同定程度上起了補償作用，但傳感器靈敏度同時下降

8、。時下降。1、2-電極；電極；3-電極電極 4.3.2 減小寄生電容的影響減小寄生電容的影響4.3 保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法1集成化集成化 將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(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而不能在高、低溫或環(huán)境差的場穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。合使用。2. 采用采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)技術(shù) 當電

9、容式傳感器的電容值很小，而因某些原因當電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高如環(huán)境溫度較高)，測量電測量電 路只能與傳感器分開時，可采用路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)技術(shù),也稱雙層屏蔽也稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)。這一技術(shù)的基本思路是將電極引出進行內(nèi)外雙層屏蔽，等電位傳輸技術(shù)。這一技術(shù)的基本思路是將電極引出進行內(nèi)外雙層屏蔽，使內(nèi)層屏蔽與引出線的電位相同，從而消除了引出線對內(nèi)層屏蔽的容性使內(nèi)層屏蔽與引出線的電位相同，從而消除了引出線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電漏電,而外層屏蔽仍接地而起屏蔽作用。而外層屏蔽仍接地而起屏蔽作用。3. 整體屏蔽整體屏蔽 將電容式傳感器和所采

10、用的轉(zhuǎn)換電路和傳輸電纜等用同一個屏蔽將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路和傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。P2玻璃盤玻璃盤鍍金層鍍金層金屬金屬膜片膜片C2電極引線電極引線p1C1 結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應速度快結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應速度快(約約100ms)能測微小壓差能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對壓力、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可即可 4.4 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用電容式傳感器電容

11、式傳感器4.4 電容式傳感器的應用 1 1電容式差壓變送器電容式差壓變送器圖圖3-12 電容式差壓變送器電容式差壓變送器高壓側(cè)高壓側(cè)進氣口進氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進氣口進氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置 電容式液位計是通過兩個電極之間電容的變化來進行測量的液位儀表。 2電容式液位計電容式液位計液體類型組成電容極板介質(zhì)12非導電液體粘稠度低一個金屬電極外部套上一個金屬管，將被測量的介質(zhì)作為中間的絕緣物質(zhì)，由此形成一個同軸套筒形的電容器金屬電極金屬管非導電液體粘稠度高將金屬電極直接插入圓筒形容器的中央，容器就可以作為外電極而液體作為絕緣介質(zhì)以形成圓筒型電容金屬電極容器

12、非導電液體導電液體當被測介質(zhì)是導電的液體且液罐是導電金屬時，即可插入金屬棒作為一個電極，而將液體和容器作為另一個電極，以絕緣套管作為中間介質(zhì)，使三者形成圓筒形電容器 金屬電極導電液體和容器絕緣套管圖圖2-13 電子汽車秤的電路框圖電子汽車秤的電路框圖2電容式液位計電容式液位計電容式傳感器電容式傳感器電容式液位計電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式傳感器電容式傳感器電容式液位限

13、位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當液擬量，而是給出開關(guān)量。當液位到達設定值時，它輸出低電位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。平的型號。電容式傳感器電容式傳感器液位限位傳感器的設定液位限位傳感器的設定 智能化液位傳感器的設定方智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，當液位用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，儀器就記住該設定。正

14、常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。警信號和控制信號。設定按鈕設定按鈕電容式傳感器電容式傳感器3 3電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 圖圖3-14 圓柱型電容式接近開關(guān)圓柱型電容式接近開關(guān) 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用全密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）電容式傳感器電容式傳感器齊平式齊平式 非齊平非齊平式式電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(guān)外形非齊平式非齊平式接近開關(guān)接近開關(guān)的安裝的安裝非齊平式安裝時，傳感器非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。高于安裝支架，易損壞。電容式接近開

15、關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用圖示為電容開關(guān)在工程中的一個應用。要求對某個工件進行加圖示為電容開關(guān)在工程中的一個應用。要求對某個工件進行加工，工件用夾具固定在移動工作臺上，工作臺由一個主電機拖工，工件用夾具固定在移動工作臺上，工作臺由一個主電機拖動，作來回往復運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動?，F(xiàn)用兩個電容開關(guān)來動，作來回往復運動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動?，F(xiàn)用兩個電容開關(guān)來決定工作臺何時換向。當決定工作臺何時換向。當“A”號傳感器有輸出信號時，使主電號傳感器有輸出信號時，使主電機停止反轉(zhuǎn)，同時，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向右運動；機停止反轉(zhuǎn)，同時，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向右運動

16、；當當“B” 號傳感器有輸出信號時，使主電機停止正轉(zhuǎn)，同時，接號傳感器有輸出信號時，使主電機停止正轉(zhuǎn)，同時，接通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向左運動。這樣，就實現(xiàn)了工作通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺向左運動。這樣，就實現(xiàn)了工作臺的行程限位。臺的行程限位。 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處。當油箱中處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移的滑動臂移

17、動。當動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x 處）。處）。4 4電容測厚儀電容測厚儀圖圖3-15 電容測厚儀電容測厚儀 電容測厚傳感器是用來對電容測厚傳感器是用來對金屬帶材金屬帶材在軋制過程中厚度的檢在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導線

18、連接起來成為一個極，而帶材就是。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，化，將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 電容式傳感器電容式傳感器4 4電容測厚儀電容測厚儀差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 音 頻 信 號 發(fā) 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動 放 大 器C0C1C2RRCT電容式傳感器電容式傳感器4

19、 4電容測厚儀電容測厚儀電容式傳感器電容式傳感器 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要

20、特點是電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快頻率響應快和和量程范圍量程范圍大大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 5、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器電容式傳感器電容式傳感器5、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器在汽車中的應用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的測得的負加速度值超過設定值時負加速度值超過設

21、定值時，微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了據(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。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電容式傳感器電容式傳感器汽車氣囊的保護作用汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊對駕駛員的保護作用利用加速度傳感器實現(xiàn)利用加速度傳感器

22、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電容式傳感器電容式傳感器5、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器6 、電容式指紋識別傳感器、電容式指紋識別傳感器 (a)筆記本指紋識別筆記本指紋識別 (b)指紋識別手機指紋識別手機 (c)汽車防盜指紋識別汽車防盜指紋識別圖圖4-28 電容式指紋識別傳感器電容式指紋識別傳感器 電容式指紋識別傳感器是一種新型的傳感器。它在一些電容式指紋識別傳感器是一種新型的傳感器。它在一些防盜系統(tǒng)、高科技以及重要場合中得到了應用，如用于筆防盜系統(tǒng)、高科技以及重要場合中得到了應用，如用于筆記本電腦、手機及汽車等的指紋識別及防盜，如圖所示。記本電腦

23、、手機及汽車等的指紋識別及防盜，如圖所示。（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。電容式鍵盤是常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，電容式鍵盤的原理是通過按鍵改變基于電容式開關(guān)的鍵盤，電容式鍵盤的原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，以實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換。電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，以實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)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