43電容式傳感器-(2)知識(shí)講解

電子信息與自動(dòng)化學(xué)院賀曉蓉電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)1/16/202514.3電容式傳感器電容式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過(guò)載能力大及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以用來(lái)測(cè)量壓力、力、位移、振動(dòng)、液位等參數(shù)。但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來(lái)一定的局限。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是集成電路的廣泛應(yīng)用，這些缺點(diǎn)也得到了一定的克服，進(jìn)一步促進(jìn)了電容式傳感器的廣泛應(yīng)用。1/16/20252各種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1/16/20253

1.變間隙型（變極距

型）4.3.2類型靈敏度：間隙變化電容傳感器用于測(cè)量位移及一切能轉(zhuǎn)化為位移測(cè)量的物理參數(shù)，其特點(diǎn)是非接觸式測(cè)量，因而對(duì)被測(cè)量量影響小，靈敏度高；測(cè)量范圍可達(dá)1mm，非線性誤差約為滿量程的1％～3％；測(cè)量的頻率范圍為0Hz～105Hz。1/16/20255從

可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。由于電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系，故這將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍，一般取極距變化范圍為。此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。

1/16/20256傳聲器是一種將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器件。俗稱話筒、麥克風(fēng)。傳聲器的好壞將直接影響聲音的質(zhì)量。

電容傳聲器主要由振動(dòng)膜片、剛性極板、電源和負(fù)載電阻等組成。它的工作原理是當(dāng)膜片受到聲波的壓力，并隨著壓力的大小和頻率的不同而振動(dòng)時(shí)，膜片極板之間的電容量就發(fā)生變化。與此同時(shí)，極板上的電荷隨之變化，從而使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，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。

電容傳聲器的頻率范圍寬、靈敏度高、失真小、音質(zhì)好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，多用于高質(zhì)量的廣播、錄音、擴(kuò)音中。

產(chǎn)品：電容傳聲器1/16/20257傳聲器輸出電壓增量和被測(cè)聲壓成正比。1/16/20258駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)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。被廣泛地應(yīng)用在盒式錄音機(jī)中作為機(jī)內(nèi)傳聲器。

補(bǔ)充1/16/20259動(dòng)圈傳聲器主要由振動(dòng)膜片、音圈、永久磁鐵和升壓變壓器等組成。它的工作原理是當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，膜片就隨著聲音前后顫動(dòng)，從而帶動(dòng)音圈在磁場(chǎng)中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)音頻電動(dòng)勢(shì)，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。為了提高傳聲器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和阻抗，還需裝置一只升壓變壓器。

動(dòng)圈傳聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、使用方便、固有噪聲小，被廣泛用于語(yǔ)言廣播和擴(kuò)聲系統(tǒng)中。但缺點(diǎn)是靈敏度較低、頻率范圍窄。近幾年已有專用動(dòng)圈傳聲器，其特性和技術(shù)指標(biāo)都較好。補(bǔ)充＃一般使用的麥克風(fēng)基本上都是動(dòng)圈式的。1/16/202510無(wú)線傳聲器實(shí)際上是一種小型的擴(kuò)聲系統(tǒng)。它具有不需要電纜的機(jī)動(dòng)靈活性，又兼有有線擴(kuò)聲設(shè)備高質(zhì)量的電聲性能，被廣泛運(yùn)用于電視演播室、電影同期聲、舞臺(tái)藝術(shù)擴(kuò)聲、現(xiàn)場(chǎng)直播、現(xiàn)場(chǎng)采訪、電化教學(xué)、展覽講解及其他專業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

它由一臺(tái)微型發(fā)射機(jī)組成。發(fā)射機(jī)又由微型駐極體電容式傳聲器、調(diào)頻電路和電源三部分組成，無(wú)線傳聲器采用了調(diào)頻方式調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)傳聲器的短天線發(fā)射出去，發(fā)射頻率的范圍、按國(guó)家規(guī)定在100MHz~120MHz之間，每隔2MHz為一個(gè)頻道，避免互相干擾。

無(wú)線傳聲器與接收機(jī)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)，配套使用，不得張冠李戴，出現(xiàn)差錯(cuò)。接收機(jī)是專用調(diào)頻接收機(jī)，但是一般的調(diào)頻收音機(jī)只要使其調(diào)諧頻率調(diào)整在無(wú)線傳聲器發(fā)射的頻率上，同樣能收聽(tīng)到無(wú)線傳聲器發(fā)出的聲音。

無(wú)線傳聲器補(bǔ)充1/16/202511角位移型+++2.變面積型（A型）1/16/202512板狀（平面）線位移型1/16/202513柱面（筒狀）線位移型.面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。1/16/2025143.變介電常數(shù)型（

型）大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量等。1/16/202515電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品1/16/202516測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)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(cè)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。工作流程方框圖電容式接近開關(guān)產(chǎn)品1/16/202517電容接近開關(guān)，主要用于檢測(cè)非金屬物，被廣泛應(yīng)用到顆粒料位儀、人體接近開關(guān)等用途，它的直徑為18毫米，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上打一個(gè)18毫米的園孔就能輕松固定，長(zhǎng)度約70毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)紅色LED點(diǎn)亮，平時(shí)處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長(zhǎng)度為100毫米。1/16/202518電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用1/16/202519電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示1/16/202520實(shí)際應(yīng)用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。差動(dòng)式電容傳感器的中間可移動(dòng)的電容器極板與兩邊固定的電容器極板形成兩個(gè)電容器和，當(dāng)中間極板向一方面移動(dòng)時(shí)，其中一個(gè)電容器的電容因極間距增大而減小，而另一個(gè)電容因極間距減小而增大，由此可得電容總變化量為由此可得靈敏度為差動(dòng)式電容傳感器不僅可提高靈敏度，也相應(yīng)地改善了測(cè)量線性度。4.差動(dòng)式電容傳感器1/16/202521陶瓷電容壓力傳感器介質(zhì)壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生位移。電子線路檢測(cè)這一位移量后，即把這一位移量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測(cè)量信號(hào)。

產(chǎn)品1/16/202522壓力變送器1151系列電容式變送器外形圖被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過(guò)隔離膜片和δ元件內(nèi)的填充液傳到預(yù)張緊的測(cè)量膜片兩側(cè)。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容就不等，通過(guò)檢測(cè)，放大轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。1/16/202523當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。1/16/202524各種電容式差壓變送器外形

1/16/202525各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

（參考丹東長(zhǎng)隆自控有限公司資料）法蘭1/16/202526各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

1/16/202527利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=

gh1/16/202528a)電橋電路4.3.3測(cè)量電路1/16/202529舉例：電容式自平衡液位測(cè)量?jī)x:圖4-64是電容式自動(dòng)平衡液位測(cè)量?jī)x原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達(dá)式。圖4-64電容式自動(dòng)平衡液位測(cè)量?jī)x原理框圖解：由圖可見(jiàn)，當(dāng)h=0時(shí)，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點(diǎn)，即R=0，此時(shí)電橋應(yīng)平衡，橋路輸出電壓Uac=0，則電橋阻抗平衡1/16/202530

當(dāng)液位為h時(shí)，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時(shí)Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速后帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電位器的電刷移動(dòng)，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時(shí)聯(lián)立求解上面兩式得：由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：θ=k2R因此其中，k2為比例系數(shù)可見(jiàn)，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。1/16/202531b)諧振電路（調(diào)頻電路）這種測(cè)量電路是把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合成一個(gè)振蕩器諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通過(guò)鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大器放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。1/16/202532將電容傳感器接入高頻振蕩器LC諧振回路，作為回路的一部分。當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容限制，因此稱為調(diào)頻電路。測(cè)定頻率或經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化。1/16/202533C）差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路C1>C2:A點(diǎn)脈寬>B點(diǎn)脈寬,uAB>0輸出電壓：C1=C2:A點(diǎn)脈寬=B點(diǎn)脈寬,uAB=01/16/202534當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時(shí)，則通過(guò)R1對(duì)C1充電。直到M點(diǎn)的電位等于參考電壓Ur時(shí)，比較器N1產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端（A）為低電平，Q端（B）為高電平。這時(shí)二極管V1導(dǎo)通，C1放電至零，而同時(shí)Q端通過(guò)R2為C2充電。當(dāng)N點(diǎn)電位等于參考電壓Ur時(shí)，比較器N2產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次。這時(shí)Q端高平，C1處于充電狀態(tài)，同時(shí)二極管V2導(dǎo)通，電容C2放電至零。以上過(guò)程周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖方波。1/16/202535當(dāng)C1=C2時(shí)，兩個(gè)電容充電時(shí)間常數(shù)相等，兩個(gè)輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。當(dāng)差動(dòng)電容傳感器處于工作狀態(tài)，即C1≠C2時(shí)，兩個(gè)電容的充電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，T1正比于C1，而T2正比于C2，這時(shí)輸出電壓的平均值不等于零。輸出電壓為當(dāng)電阻R1=R2=R時(shí)，則有可見(jiàn)，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

C1=C2C1≠C21/16/202536d)運(yùn)算放大器電路

當(dāng)采用比例運(yùn)算放大器電路時(shí)，可以得到輸出電壓與位移量的線性關(guān)系。輸入阻抗采用固定電容C0，反饋?zhàn)杩共捎秒娙輦鞲衅?，根?jù)運(yùn)算放大器的運(yùn)算關(guān)系，當(dāng)激勵(lì)電壓為時(shí)，輸出電壓為：

由此式可知，輸出電壓與電容傳感器間隙成線性關(guān)系。這種電路常用于位移測(cè)量傳感器。所以：1/16/2025374.3.4特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)高靈敏、高精度、高分辨力(0.001

m)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；溫度穩(wěn)定性好；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；2.不足(1)輸出阻抗高（108

），負(fù)載能力差;(2)寄生電容大.1/16/2025384.3.5電容式傳感器的應(yīng)用案例1.振動(dòng)測(cè)量

案例2.旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量

1/16/202539案例3.電容式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。

案例4.電容式測(cè)厚儀

測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度.C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容，其總電容為C=C1+C2。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。1/16/202540棒式探極纜式探極同軸探極

案例5.電容式物位傳感器

在石油、化工、電力、食品、水處理、冶金、水泥等的生產(chǎn)過(guò)程中，有許多的液位、料位需要測(cè)量，基于電容原理當(dāng)物（液）體上升或下降至傳感器的感應(yīng)面時(shí)傳感器的內(nèi)部電容增大，導(dǎo)致內(nèi)部振蕩電路開始振蕩，從而可判斷出物（液）體的有無(wú)和液位。透過(guò)非金屬容器壁非接觸式測(cè)量介質(zhì)，無(wú)需在容器上開孔。1/16/202541電容傳感器測(cè)深度測(cè)角度（動(dòng)畫）1/16/202542案例6.電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過(guò)在觸摸過(guò)程中電容的變化來(lái)進(jìn)行信息采集。這兩類電容式指紋傳感器的工作原理為：當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時(shí)，電容會(huì)有所增加，通過(guò)檢測(cè)增加的電容來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器中的像素點(diǎn)為45平方微米，間隔為50微米，電容像素陣列的分辨率略高于500dpi。這類傳感器基于一種標(biāo)準(zhǔn)的單-多晶硅三層金屬CMOS工藝，并采用0.5微米工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。1/16/202543應(yīng)用：毫無(wú)疑問(wèn)，便攜式低成本指紋識(shí)別技術(shù)對(duì)我們的生活意義深遠(yuǎn)。例如，今后警察可在一個(gè)犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個(gè)手指置于一個(gè)與無(wú)線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)。這種識(shí)別技術(shù)對(duì)于被盜的手機(jī)用戶也有好處。手機(jī)開機(jī)時(shí)要求用戶通過(guò)一個(gè)快速的認(rèn)證過(guò)程，用戶將其手指劃過(guò)傳感器，如果通過(guò)認(rèn)證則授權(quán)使用手機(jī)的各項(xiàng)功能。如果不是授權(quán)用戶，手機(jī)便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認(rèn)證無(wú)法通過(guò)，則手機(jī)會(huì)刪除存儲(chǔ)器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機(jī)。1/16/202544在今后的汽車應(yīng)用中，用戶可輸入家庭成員指紋樣本，經(jīng)鑒權(quán)才能駕駛。注冊(cè)過(guò)程十分簡(jiǎn)單：每個(gè)授權(quán)駕駛的成員將其手指置于傳感器上，并將汽車的各種參數(shù)按個(gè)人愛(ài)好進(jìn)行設(shè)置，然后將這些設(shè)置存入車載的電腦存儲(chǔ)器中。當(dāng)駕駛者進(jìn)入汽車時(shí)，他