電容傳感器(第八章)教材課件

第八章電容傳感器主要內(nèi)容：

8.1電容傳感器原理與類型8.2電容傳感器輸出特性8.3電容傳感器測量電路8.4電容傳感器的應用舉例

1電容式接近開關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

2

傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量精密測量及壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點是：電容器容量小幾十～幾百微法，具有高輸出阻抗;

靜電引力小（極板間），工作所需作用力很??；可動質(zhì)量小,具有高的固有頻率動態(tài)響應特性好；功率小，本身發(fā)熱影響?。豢梢赃M行非接觸測量。38.1電容傳感器工作原理和類型電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化，電容傳感器工作原理可以用平板電容說明：

改變式中S—極板面積，稱變面積型傳感器

—極板距離，稱變極距型傳感器

—介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器

—真空介電常數(shù)

—相對介電常數(shù)，無介質(zhì)時空氣介質(zhì)

εr

=1456變介質(zhì)型傳感器78.2電容傳感器輸出特性

1、變極距型（σ）

初始電容

當減小時電容C增加

ΔσC0σ

σ

C

ΔC8電容相對變化

當時，用泰勒級數(shù)展開

忽略高次項傳感器靈敏度9討論：

要提高傳感器靈敏度K

應減小初始極距，但初始極距受電容擊穿電壓限制；非線性隨相對的位移的增加而增加,為保證線性度應限制相對位移；起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器適合測小位移；為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。10由分析可以看出，在

較小時，對于同樣的變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但

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),放置云母片的電容器11此時電容C變?yōu)槭街校害舋——云母的相對介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

σ0——空氣隙厚度；

σ

g——云母片的厚度。云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時，式中的σg/ε0εg項是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。12設C1增加，C2減小，且△C1=△C2差動式結(jié)構(gòu)εσ２Ｃ１Ｃ２σ１

上靜片下靜片動片差動結(jié)構(gòu)的電容特征方程式為：

電容的總的變化量13電容特征方程忽略高次項為：

傳感器（差動式）靈敏度

相對非線性誤差為

結(jié)論：

差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍；非線性誤差減?。ǘ喑艘蜃樱?/p>

14

2、變面積型（S）

平板電容：當動極板移動ΔX后兩極板間電容量為：初始電容:電容的相對變化量:

平板變面積型電容傳感器靈敏度結(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。15

3、變介電常數(shù)式（ε）

當某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關系為：εd

σ

動片變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：測介電常數(shù)（糧倉、木材濕度）測介質(zhì)厚度d(紙張、薄膜厚度）16

d為介質(zhì)的厚度，d、S保持不變，改變，可作為介電常數(shù)的測試儀器。

介電常數(shù)保持不變，S和σ一定，改變介質(zhì)厚度d，可作為測厚儀器。17電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖18設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容值為式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即由式可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。198.3測量電路

1.電容傳感器的等效電路

電容式傳感器被當作純電容來看待，這在大多數(shù)情況下是允許的。但是在高溫、高濕和高頻激勵條件下，則需考慮附加損耗及電感效應等因素的影響。C為傳感器的電容，RP為并聯(lián)損耗電阻，RS為串聯(lián)損耗電阻，L為電感，CP為寄生電容。20并聯(lián)損耗電阻RP代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗，這些損耗通常在低頻時的影響較大，隨著頻率的增高，其影響也相應減弱直至可以忽略不計。串聯(lián)損耗電阻RS代表引線電阻，電容器支架和極板的電阻，只有在工作頻率很高時，才要加以考慮。電感L是由電容器本身的電感和外部引線的電感所組成。電容器本身的電感與電容器的結(jié)構(gòu)形式有關，引線電感則與引線長度有關，引線越短，電感越小。寄生電容CP主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容C相并聯(lián)。電容式傳感器一般電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器件，極易受外界干擾。寄生電容比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機性，嚴重影響傳感器的輸出特性。因此消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實用化的關鍵。21用金屬屏蔽罩屏蔽電容轉(zhuǎn)換元件，消除靜電場和交變磁場；前級緊靠轉(zhuǎn)換元件或裝在同一殼體內(nèi)，避免信號長距離傳輸；驅(qū)動電纜技術(shù)，驅(qū)動電纜技術(shù)是一種等電位屏蔽法。

原理是：連接電纜采用雙層屏蔽，內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導線的電位相同。（跟隨器）使傳輸電纜與內(nèi)屏蔽層等電位，屏蔽線上有隨傳感器信號變化的電壓，所以稱（驅(qū)動電纜），從而消除芯線對內(nèi)層屏蔽層的容性漏電從而消除寄生電容的影響。內(nèi)外屏蔽之間的電容是放大器負載。這一方法可在10M距離不影響傳感器性能，保證電容1pF時也能正常工作?？商岣唠娙輦鞲衅鞯姆€(wěn)定性。222.電橋電路由電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測量系統(tǒng)。單臂時，傳感器C鄰臂接一個固定電容C0與之相匹配；差動形式傳感器是兩個橋臂交流電橋的輸出電壓為：

代入：23極板在中間位置時動片上移時電容變化輸出電壓與輸入位移成理想線性關系243、運算放大器式電路

由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高,運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號電壓;Σ是虛地點。由運算放大器工作原理可得..25如果傳感器是一只平板電容，則Cx=εS/d，可得式中“-”號表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相。式子說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關系。運算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。..264、二極管雙T形交流電橋

e是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。27當傳感器沒有輸入時，C1=C2。其電路工作原理如下：當e為正半周時，二極管VD1導通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻R1，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。當e為負半周時，VD2導通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻R2，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2

。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為式中,f為電源頻率。28則式子可改寫為可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與T形網(wǎng)絡中的電容C1和C2的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當電源頻率為1.3MHz，電源電壓U=46V時，電容在-7~7pF變化，可以在1MΩ負載上得到-5~5V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩(wěn)定。當U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，而僅與R1、R2及RL有關，約為1~100kΩ。輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1kΩ的負載電阻上升時間為20μs左右，故可用來測量高速的機械運動。295、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路圖30脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形31式中：

U1——觸發(fā)器輸出高電平；

T1、T2——Cx1、Cx2充電至Ur時所需時間。由電路知識可知將T1、T2代入得32把平行板電容的公式代入式子，在變極板距離的情況下可得式中,d1、d2分別為Cx1、Cx2極板間距離。當差動電容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0時，Uo=0；若Cx1≠Cx2，設Cx1>Cx2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則有33同樣，在變面積電容傳感器中，則有由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。346．調(diào)頻電路調(diào)頻測量電路把電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入被測信號使電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。由于系統(tǒng)是非線性的，必須加入鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化換為電壓的變化。調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收，以達到遙測遙控的目的。358.4

電容式傳感器的應用

電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個變量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。

36一、電容式液位計棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套37

38電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。也可以選擇輸出為高電平的型號。39液位限位傳感器的設定智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設定按鈕40智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈正常工作指示燈設定按鈕電源指示燈41二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎，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。42硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）43利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。

當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。44加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，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45利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置4647三、濕敏電容

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。

48濕敏電容外形吸水高分子薄膜49濕敏電容模塊及傳感器外形50濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型51多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

52四、電容式油量表

機械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。53電容式油量表當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當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?。瑫r帶動RP的滑動臂移動。當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）。