第三章 電容式

第三章電容式傳感器電容元件非電量電容量變化

1920~1925電容傳感器用于測(cè)量

70~80年代，應(yīng)用廣泛集成電容傳感器1§3-1電容式傳感器的原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理C——電容量，單位：F法拉——真空介電常數(shù)——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)A——極板的有效面積（m2）——兩平行極板間的距離（m）1、平板電容器23二、變間隙型電容傳感器極板上移：1、基本特性4討論：（1）略去高次項(xiàng)5（2）考慮二次項(xiàng)2、有介電層的變間隙型電容傳感器63、差動(dòng)式變間隙型電容傳感器動(dòng)極板上移：初始位置時(shí)，7提高一倍減小略去高次項(xiàng)：8三、變面積型電容傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型板狀線位移變面積型角位移變面積型筒狀線位移變面積型結(jié)構(gòu)型式1、板狀線位移變面積型線性9線性線性3、筒狀線位移變面積型2、角位移變面積型104、差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型①扇形平板結(jié)構(gòu)②柱面型結(jié)構(gòu)11四、變介質(zhì)型電容傳感器例:12例電容式液位傳感器線性13§3-2電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路被測(cè)非電量U、I、f電容直放式外差式普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運(yùn)算放大器式電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)寬電路14一、調(diào)頻電路振蕩回路固有電容引線分布電容傳感器電容1、直放式：15被測(cè)信號(hào)調(diào)頻信號(hào)鑒頻信號(hào)調(diào)頻電路的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)特性穩(wěn)定高電平直流信號(hào)易于接口16二、雙T二極管交流電橋17三、運(yùn)算放大器式電路18變間隙型電容傳感器：線性關(guān)系結(jié)論：輸出電壓與動(dòng)極板的位移d（即極間距離）成線性關(guān)系，相位與電源電壓相反。19四、脈沖寬度調(diào)制電路跳變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)跳變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)SR20tuAuBuABUCUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttUDuB21uAuBuABUCUDUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt返回2223變間隙型差動(dòng)電容傳感器：變面積型差動(dòng)電容傳感器：24例1電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用§3-3電容式傳感器的應(yīng)用2526電容式傳感器測(cè)鋼帶厚度27例2電容式稱重傳感器28例3電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式2930例4電容式料位傳感器31例5電容式加速度傳感器慣性原理32例6

電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用33電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示347、電容式轉(zhuǎn)速傳感器358、電容式鍵盤常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小。369、電容式指紋傳感器指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)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(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化。3738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。39電容式傳聲器（Microphone）40小結(jié)變電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。只要固定平行板電容器3個(gè)參量d、A、ε

中的兩個(gè)，只要另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化，所以電容式傳感器可以分成3種類型：變面積式、變間隙式與變介電常數(shù)式。電容傳感器的電容值一般十分微小，幾乎都在幾皮法至幾十皮法之間,因而輸出必須借助于一些測(cè)量電路，將微小的電容值成比例地轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。41一變間隙式平板電容傳感器，其極板直徑D=8mm，極板間初始間距d0=1mm.，極板間介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)ε0=8.85×10-12F/m。試求：（1）初始電容C0；（2）當(dāng)傳感器工作時(shí)，間隙減小d=10μm，則其電容量變化C＝？（3）如果測(cè)量電路的靈敏度Ku=100mV/pF，則在d=±1μm時(shí)的輸出電壓U0。423、簡(jiǎn)述電容式傳感器用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作