工業(yè)測試技術(shù)課件第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:+++Aδ、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)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)電極被測電容三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型

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