傳感器與檢測技術(shù)第二版胡向東著第五章電容式傳感器

第5章電容式傳感器5.1工作原理5.2測量電路5.3典型應(yīng)用下頁返回5.1電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器是將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的--種傳感器。一、工作原理由物理學(xué)可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為

下頁上頁返回式中ε--兩個極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

εr

--介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

ε0

--真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）；

A--兩個極板相對有效面積；

d--兩個極板間的距離

下頁上頁返回由上式可知，改變電容C的方法有三種：改變介質(zhì)的介電常數(shù)ε；改變形成電容的有效面積S；改變兩個極板間的距離d。輸出均為電容增量ΔC，故構(gòu)成電容式傳感器。形狀：平板形、圓柱形和球平面形三種。5.1.1變面積型電容式傳感器電容改變量與位移成線性關(guān)系下頁上頁返回電容改變量與角位移呈線性關(guān)系

下頁上頁返回5.1.2變極距型電容式傳感器<<1,按泰勒級數(shù)展開簡化近似直線關(guān)系下頁上頁返回一般極板間距在25～200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測量。擊穿問題下頁上頁返回差動結(jié)構(gòu)下頁上頁返回5.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器下頁上頁返回平板結(jié)構(gòu)串聯(lián)并聯(lián)非線性線性下頁上頁返回介質(zhì)名稱真空空氣聚乙烯硅油金剛石氧化鋁云母TiO2相對介電常數(shù)1≈12.262.75.54.5～8.46～8.514～110電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系

圓筒結(jié)構(gòu)下頁上頁返回5.2電容式傳感器的測量電路5.2.1調(diào)頻電路當(dāng)被測量改變下頁上頁返回5.2.2運算放大器對平板電容器：輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系→下頁上頁返回5.2.3變壓器式交流電橋下頁上頁返回在負(fù)載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關(guān)。該測量電路的優(yōu)點：電路簡單，無需相敏檢波和整流電路，便可得到較高的直流輸出電壓?？捎糜跍y量高速機械運動。5.2.4二極管雙T型交流電橋下頁上頁返回5.2.5脈沖寬度調(diào)制電路下頁上頁返回變極距型：變面積型：差動脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動電容傳感器，且為線性特性。下頁上頁返回5.3.1電容式壓力傳感器這就實現(xiàn)了差壓－電容的轉(zhuǎn)換。如果采用脈沖寬度調(diào)制測量電路，容易得到電路輸出電壓與差壓成線性關(guān)系。特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快（100ms），能測量微小差

壓（0-0.75Pa）。5.3電容式傳感器的應(yīng)用下頁上頁返回5.3.2電容式位移傳感器下頁上頁返回特點：頻率響應(yīng)快、量程范圍大5.3.3電容式加速度傳感器位移下頁上頁返回

電容式荷重傳感器F絕緣材料動極板定極板極板支架彈性體上頁返回下頁上頁返回下頁電容式液位傳感器

非導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電介質(zhì)傳感器極板與被測介質(zhì)絕緣容器和液體為一個電極；插入金屬電極為令一個電極；絕緣套管為中間介質(zhì)上頁返回下頁（a）棒式探極（b）同軸探極（c）纜式探極圖4-24幾類常見的電容式液位傳感器上頁返回下頁電容式限位儀上頁返回下頁油箱液位檢測上頁返回下頁溫度檢測

以BaSrTiO3為主的陶瓷電容器，其介電常數(shù)在溫度超過居里點之后，會隨著溫度的上升成反比的下降。若將這種電容器與電感組成諧振回路，則其諧振頻率會有規(guī)律地隨溫度變化。用頻率計測出其頻率，經(jīng)過換算可求得溫度。電容式溫度傳感器上頁返回下頁上頁返回下頁電容式壓力傳感器上頁返回下頁上頁返回下頁電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的應(yīng)用上頁返回下頁指紋識別

(a)筆記本指紋識別(b)指紋識別手機(c)汽車防盜指紋識別

電容式指紋識別傳感器上頁返回下頁（1）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。

上頁返回下頁（2）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若干個電容傳感器組成。當(dāng)人把手指放在傳感器上時，手指充當(dāng)電容器的另外一個電極。由于手指上存在指紋紋路，且深淺不一致，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容電壓不同；通過測量并記錄各點的電壓值就可以獲得具有灰度級的指紋圖像，從而達(dá)到辨別指紋的目的。上頁返回下頁電容式傳聲器（Microphone）

電容傳聲器核心是平板電容器，振動膜片是一片表面經(jīng)過金屬化處理的輕質(zhì)彈性薄膜，當(dāng)膜片隨著聲波的壓力的大小產(chǎn)生振動時，膜片與后極板之間的相對距離發(fā)生變化，膜片與極板所構(gòu)成電容器的量就發(fā)生變化。極板上的電荷隨之變化，電路中的電流也相應(yīng)變化，負(fù)載電阻上也就有相應(yīng)的電壓輸出，從而完成了聲音信號與電信號的轉(zhuǎn)換。上頁返回下頁上頁返回下頁駐極體傳聲器有兩塊金屬極板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜（多數(shù)為聚四氟乙丙烯），表面帶有極化電荷，電量為Q，板極間電容量為C，則產(chǎn)生電壓U=Q/C，當(dāng)受到振動或受到氣流地摩擦?xí)r，由于振動使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會引起電壓的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強弱，電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。