33-電容式傳感器課件

概述3.3

電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器概述電容式傳感器典型應(yīng)用硅微電容式傳感器測量管道液位高度電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高；可實現(xiàn)非接觸式測量；動態(tài)響應(yīng)好；能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。3.3.1電容式傳感器的工作原理及分類1、工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出。電容式傳感器實際上是一個可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器工作原理圖

電容器基礎(chǔ)知識

平板電容器

柱形電容器

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為：εdA

ε：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0·εr，ε0為真空介電常數(shù)，εr為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；A：兩平行板所覆蓋的面積；d：兩平行板之間的距離。

固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器→變面積型、變間隙型、和變介電常數(shù)型。εdA

改變A、d、ε三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)變極距型傳感器變極距型傳感器電容式傳感器的結(jié)構(gòu)變面積型傳感器變面積型傳感器電容式傳感器的結(jié)構(gòu)變介質(zhì)型傳感器3.3.1變面積型電容式傳感器平面形直線位移式圓柱形直線位移式角位移式電容改變量與水平位移成線性關(guān)系初始電容：當(dāng)動極板移動x：（1）直線位移型電容改變量與角位移呈線性關(guān)系（2）角位移型結(jié)論：變面積式電容傳感器靈敏度K為常數(shù)；輸出特性為線性；適合大位移測量。3.3.2變介質(zhì)型電容式傳感器

因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。這種傳感器可用來測量物位或液位，測量厚度，也可測量位移。電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系。ε1：液體介質(zhì)的介電常數(shù)ε0:空氣的介電常數(shù)；

H:電極板的總長度；d、D：電極板的內(nèi)、外徑；可用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織器、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。

當(dāng)L=0時，傳感器的初始電容當(dāng)被測電介質(zhì)在極板間的長度為L時，引起電容相對變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動量L呈線性關(guān)系

極板寬度3.3.3變極距型電容式傳感器1-動極板2-定極板近似直線關(guān)系若△d/d<<1時，則上式可簡化為C與△d非線性關(guān)系

由C0式可以看出，在d0較小時，對于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì).εg——云母的相對介電常數(shù)，εg=7；ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。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?？蓽y量位移精度：0.01微米到0.1微米。變極距型電容式傳感器的非線性單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與成反比關(guān)系非線性誤差非線性誤差：差動結(jié)構(gòu)差動的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善變極距(δ）型:(a)、(e)

變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)

（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)3.3.4電容式傳感器的測量電路電容式傳感器輸出電容量以及電容變化量都非常微小，這樣微小的電容量目前還不能直接被顯示儀表所顯示，無法由記錄儀進行記錄，亦不便于傳輸。借助測量電路檢出微小的電容變化量，并轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者頻率信號，才能進行顯示、記錄和傳輸。用于電容式傳感器的測量電路很多，常見的電路有：普通交流電橋、變壓器電橋、雙T形電橋電路、緊耦合電感臂電橋、運算放大器式測量電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。

1.普通交流電橋電路

普通交流電橋測量電路如圖所示，為傳感器電容，為等效配接阻抗，和分別為固定電容和固定阻抗。傳感器工作前，先將電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡。當(dāng)傳感器工作時，電容發(fā)生變化，電橋失去平衡，從而輸出交流電壓信號。此信號先經(jīng)過交流放大器將電壓進行放大，再經(jīng)過相敏檢波器和低通濾波器檢出直流電壓、并濾掉交流分量，最后得到直流電壓輸出信號，它的幅值隨著電容的變化而變化。電橋的輸出電壓為：2.變壓器電橋電路

電容式傳感器接入變壓器電橋測量電路如圖所示，它可分為單臂接法和差動接法兩種。（a）單臂接法（b）差動接法圖3-8（1）單臂接法圖3-8(a)所示為單臂接法的變壓器橋式測量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個對角線上，電容構(gòu)成電橋的四個臂，其中為電容傳感器。當(dāng)傳感器未工作時，交流電橋處于平衡狀態(tài)，有：此時，電橋輸出電壓。

當(dāng)改變時，，電橋有輸出電壓，從而可測得電容的變化值。（2）差動接法變壓器電橋測量電路一般采用差動接法，如圖3-8(b)所示。以差動形式接入相鄰兩個橋臂，另外兩個橋臂為次級線圈。在交流電路中，的阻抗分別為：則有，故，當(dāng)輸出為開路時，電橋空載輸出電壓為振蕩回路固有電容傳感器電容引線分布電容3、調(diào)頻電路當(dāng)輸入量導(dǎo)致傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。在實現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進行顯示和紀錄。

特點：（1）抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；（2）靈敏度高，可測量級的位移變化量；（3）能獲得高電平的直流信號，可達伏特數(shù)量級；（4）由于輸出為頻率信號，易于用數(shù)字式儀器進行測量，并可以和計算機進行通信，可以發(fā)送、接收，能達到遙測遙控的目的。4、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

5.雙T形電橋電路

雙T形電橋電路如圖所示，高頻電源u提供幅值為U的方波。

雙T型電橋連接

正半周負半周6、差動脈沖寬度調(diào)制電路差動脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示，它是利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量的變化而變化，再通過低通濾波器得到相應(yīng)被測量變化的直流信號。3.3.5電容式傳感器的應(yīng)用

電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。

1、電容式壓力傳感器如圖所示是典型的差動電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時，形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。電容式壓力傳感器常用來測量氣體或液體的壓力，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示。2、電容式位移傳感器測量時，動電極隨被測物發(fā)生軸向移動，從而改變活動電極與兩個固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開槽彈簧片為傳感器的導(dǎo)向與支承，無機械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測量。電容式傳感器還可以用于測量振動位移，以及測量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動態(tài)偏擺等，屬于動態(tài)非接觸式測量，如圖所示。

（a）振幅測量（b）軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測量圖3-21電容式傳感器在振動位移測量中的應(yīng)用圖（a）中電容傳感器和被測物體分別構(gòu)成電容的兩個電極，當(dāng)被測物發(fā)生振動時，電容兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而改變電容的大小，再經(jīng)測量電路實現(xiàn)測量。圖（b）所示電容傳感器中，在旋轉(zhuǎn)軸外側(cè)相互垂直的位置放置兩個電容極板，作為定極板，被測旋轉(zhuǎn)軸作為電容傳感器的動極板。測量時，首先調(diào)整好電容極板與被測旋轉(zhuǎn)軸之間的原始間距，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時因軸承間隙等原因產(chǎn)生徑向位移和擺動時，定極板和動極板之間的距離發(fā)生變化，傳感器的電容量也相應(yīng)的發(fā)生變化，再經(jīng)過測量轉(zhuǎn)換電路即可測得軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心的偏擺。3、電容式加速度傳感器4、電容式厚度傳感器在被測帶材的上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊面積相等且與帶材距離相等的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個電容C1、C2。

帶材在軋制過程中若發(fā)生厚度變化，將引起電容的變化，再調(diào)頻測量電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過單片機處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。

5、電容式液位計

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大。

聚四氟乙烯外套電容式液位傳感器電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。測定電極安裝在容器的頂部，容器壁和測定電極之間構(gòu)成了一個電容器。當(dāng)容器內(nèi)的被測物有一定液位高度時，由于被測物介電常數(shù)的影響，傳感器的電容發(fā)生變化，電容的變化量與被測液位的高度成線性關(guān)系。只要通過測量轉(zhuǎn)換電路檢測出電容的變化量，就可以測出液位的高度。傳感器的電容量可表示為：可見，電容器的電容量與被測液位高度成線性關(guān)系，且兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大、容器的內(nèi)徑與電極的直徑相差越小，傳感器的電容變化量就越大，靈敏度就越高。6、電容式油量表當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，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的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式指紋識別傳感器筆記本指紋識別

汽車防盜指紋識別

指紋識別手機

（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，從而達到辨別指紋的目的。習(xí)題一、單項選擇題1、如將變面積型電容式傳感器接成差動形式，則其靈敏度將（

）。A.保持不變

B.增大一倍C.減小一倍

D.增大兩倍2、當(dāng)變隙式電容傳感器的兩極板極間的初始距離d0增加時，將引起傳感器的（

）A．靈敏度K0增加

B．靈敏度K0不變C．非線性誤差增加

D．非線性誤差減小3、當(dāng)變間隙式電容傳感器兩極板間的初始距離d增加時，將引起傳感器的（

）。A．靈敏度會增加

B．靈敏度會減小C．非線性誤差增加

D．非線性誤差不變4、用電容式傳感器測量固體或液體物位時，應(yīng)該選用（

）。A．變間隙式

B．變面積式C．變介電常數(shù)式

D．空氣介質(zhì)變間隙式BDBC習(xí)題5、電容式傳感器通常用來測量（

）。A．交流電流

B．電場強度

C．重量

D．位移6、下列不屬于電容式傳感器測量電路的是（

）A．調(diào)頻測量電路

B．運算放大器電路C．脈沖寬度調(diào)制電路

D．相敏檢波電路7、電容式傳感器做成差動結(jié)構(gòu)后，靈敏度提高了（

）倍A．1B．2C．3D．0二、多項選擇題1、電容式傳感器中輸入量與輸出量關(guān)系為線性的有()A.變面積型電容傳感器

B.變介質(zhì)型電容傳感器

C.變電荷型電容傳感器

D.變極距型電容傳感器2、電容式傳感器信號轉(zhuǎn)換電路中，（

）用于單個電容量變化的測量A．調(diào)頻電路

B．運算放大電路C．二極管雙T型交流電橋

D．脈沖寬度調(diào)制電路DDAABAB習(xí)題三、填空題1、電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為

的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。

2、電容式傳感器根據(jù)其工作原理的不同可分為

電容式傳感器、

電容式傳感器和

電容式傳感器。3、變極距型電容式傳感器的靈敏度是指單位距離改變引起的

。4、變極距型電容式傳感器單位輸入位移所引起的靈敏度與兩極板初始間距成

關(guān)系。5、電容式傳感器中，變介電常數(shù)式多用于

的測量；電容式傳感器中，變面積式常用于較大的

的測量。6、變間距電容傳感器的靈敏度與

成反比，所以適合于微小位移的測量。變面積式電容傳感器的靈敏度與

成正比，所以不適合微小位移的測量。7、電容式傳感器的靈敏度是指單位距離改變引起的

。

電容量變極距型變面積型變介質(zhì)型電容相對變化量反比液位位移量電容極板初始距離位移量電容相對變化量習(xí)題三、填空題8、電容式傳感器利用了將

的變化轉(zhuǎn)化為

的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。9、電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系，除

（①變面積型，②變極距型，③變介電常數(shù)型）外是線性的。10、電容式傳感器將非電量變化轉(zhuǎn)換為

的變化來實現(xiàn)對物理量的測量，廣泛應(yīng)用與

、

、角度、

等機械量的精密測量。11、移動電容式傳感器動極板，導(dǎo)致兩極板有效覆蓋面