傳感器與檢測(cè)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(cè)量電路5.3典型應(yīng)用下頁(yè)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(cè)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(gè)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(yè)上頁(yè)返回式中ε--兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

εr

--介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

ε0

--真空介電常數(shù)（ε0=8.85×10-12F/m）；

A--兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；

d--兩個(gè)極板間的距離

下頁(yè)上頁(yè)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(gè)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(yè)上頁(yè)返回電容改變量與角位移呈線性關(guān)系

下頁(yè)上頁(yè)返回5.1.2變極距型電容式傳感器<<1,按泰勒級(jí)數(shù)展開簡(jiǎn)化近似直線關(guān)系下頁(yè)上頁(yè)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(cè)量。擊穿問題下頁(yè)上頁(yè)返回差動(dòng)結(jié)構(gòu)下頁(yè)上頁(yè)返回5.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回平板結(jié)構(gòu)串聯(lián)并聯(lián)非線性線性下頁(yè)上頁(yè)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(duì)介電常數(shù)1≈12.262.75.54.5～8.46～8.514～110電容增量與被測(cè)液位的高度成線性關(guān)系

圓筒結(jié)構(gòu)下頁(yè)上頁(yè)返回5.2電容式傳感器的測(cè)量電路5.2.1調(diào)頻電路當(dāng)被測(cè)量改變下頁(yè)上頁(yè)返回5.2.2運(yùn)算放大器對(duì)平板電容器：輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系→下頁(yè)上頁(yè)返回5.2.3變壓器式交流電橋下頁(yè)上頁(yè)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(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)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(cè)量高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)。5.2.4二極管雙T型交流電橋下頁(yè)上頁(yè)返回5.2.5脈沖寬度調(diào)制電路下頁(yè)上頁(yè)返回變極距型：變面積型：差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動(dòng)電容傳感器，且為線性特性。下頁(yè)上頁(yè)返回5.3.1電容式壓力傳感器這就實(shí)現(xiàn)了差壓－電容的轉(zhuǎn)換。如果采用脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路，容易得到電路輸出電壓與差壓成線性關(guān)系。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快（100ms），能測(cè)量微小差

壓（0-0.75Pa）。5.3電容式傳感器的應(yīng)用下頁(yè)上頁(yè)返回5.3.2電容式位移傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回特點(diǎn)：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(yè)上頁(yè)返回

電容式荷重傳感器F絕緣材料動(dòng)極板定極板極板支架彈性體上頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)返回下頁(yè)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(cè)介質(zhì)絕緣容器和液體為一個(gè)電極；插入金屬電極為令一個(gè)電極；絕緣套管為中間介質(zhì)上頁(yè)返回下頁(yè)（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(yè)返回下頁(yè)電容式限位儀上頁(yè)返回下頁(yè)油箱液位檢測(cè)上頁(yè)返回下頁(yè)溫度檢測(cè)

以BaSrTiO3為主的陶瓷電容器，其介電常數(shù)在溫度超過居里點(diǎn)之后，會(huì)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(huì)有規(guī)律地隨溫度變化。用頻率計(jì)測(cè)出其頻率，經(jīng)過換算可求得溫度。電容式溫度傳感器上頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)返回下頁(yè)電容式壓力傳感器上頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)返回下頁(yè)電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的應(yīng)用上頁(yè)返回下頁(yè)指紋識(shí)別

(a)筆記本指紋識(shí)別(b)指紋識(shí)別手機(jī)(c)汽車防盜指紋識(shí)別

電容式指紋識(shí)別傳感器上頁(yè)返回下頁(yè)（1）電容式鍵盤常規(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(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換。

上頁(yè)返回下頁(yè)（2）指紋識(shí)別指紋識(shí)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(gè)電容傳感器組成。當(dāng)人把手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器的另外一個(gè)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(gè)電容電壓不同；通過測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電壓值就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像，從而達(dá)到辨別指紋的目的。上頁(yè)返回下頁(yè)電容式傳聲器（Microphone）

電容傳聲器核心是平板電容器，振動(dòng)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(dòng)時(shí)，膜片與后極板之間的相對(duì)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(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。上頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)返回下頁(yè)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(dòng)或受到氣流地摩擦?xí)r，由于振動(dòng)使兩極板間的距離改變，即電容C改變，而電量Q不變，就會(huì)引起電壓的變化，電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)弱，電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。