第4.2章 电容式传感器.ppt

电容式传感器是电容式传感器是以电容器为敏感元件，以电容器为敏感元件，将被测将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。量的转换。电容元件电容元件电容元件电容元件 非电量非电量非电量非电量电容量变化电容量变化电容量变化电容量变化4.2电容式传感器电容式传感器优点：优点：高阻抗，小功率。高阻抗，小功率。灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。良好的动态特性。良好的动态特性。结构简单，适应性强。结构简单，适应性强。可进行非接触测量。可进行非接触测量。本身发热影响小。本身发热影响小。缺点：缺点：变间隙电容传感器非线性较严重。变间隙电容传感器非线性较严重。输出阻抗很高。输出阻抗很高。寄生电容大寄生电容大电容式传感器的特点电容式传感器的特点应用：应用：可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量转速、流量的测量。电容式传感器的应用电容式传感器的应用 19201925 19201925 电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量 7080 7080年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛 集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器 电容式传感器是实现非电量到电电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器容量转化的一类传感器。u可以应用于位移、振动、角度、加可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数的测量中。速度等参数的测量中。u由于电容式传感器结构简单、体积由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高，且可非接触测量，因小、分辨率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。此很有应用前景。原理：被测非电量转换为电容量的变化 种类：变极距、变面积A、变介质 、A或发生变化时，都会引起电容的变化。电容式传感器 输入输出关系：/0C/C0 具有严重非线性。灵敏度：变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器 u下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。u当差动式平板电容器动极板位移当差动式平板电容器动极板位移dd时，电容器时，电容器C C0 0的间隙的间隙d1d1变为变为d0-dd0-d，电容器，电容器C C2 2的间隙的间隙d2d2变为变为d0+dd0+d则则 u在在 时，则按级数展开：时，则按级数展开：u电容值总的变化量为：电容值总的变化量为：u电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：u略去高次项，则：略去高次项，则：u电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，而电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降低了。且非线性误差大大降低了。输入输出特性：灵敏度：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。变面积式电容传感器 变面积型电容传感器变面积型电容传感器变面积型电容传感器变面积型电容传感器图5-5 变面积型电容传感器原理图图5-6 电容式角位移传感器原理图 介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。图中，厚度为2的介质（2为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。变介电常数式电容传感器 变电介质型电容式传感器变电介质型电容式传感器l柱式7电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器l平板式8电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。等效电路 以上对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。若电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下工作，则电容的附加损耗等影响不可忽视，这时电容传感器的等效电路如图4-28所示。4.2.2 特点及应用中存在的问题 边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如图4-29所示。4.2.2 特点及应用中存在的问题静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。4.2.3 特点及应用中存在的问题 寄生电容寄生电容与传感器电容相关联、影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度。必须消除和减小它。消除和减小寄生电容可采用如下方法：1.采用“驱动电线”技术2.采用组合式与集成技术3.整体屏蔽法4.2.3 特点及应用中存在的问题温度影响（1）温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。（2）温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而变化，空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。4.2.3 特点及应用中存在的问题l电容式传感器的优点：电容式传感器的优点：l（1）分辨力很高，能测量低达10-7F的电容值或0.01m的绝对变化量，或高达100%200%的相对变化量（C/C），因此适合微信息的检测；l（2）动极板质量很轻，自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有很好的动态特性；l（3）结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境（除高湿外）的适应性强；l（4）过载能力强，可实现无接触测量。l电容式传感器的优点：电容式传感器的优点：电缆分布电容比较大l集成电路，双屏蔽传输电缆减小分布电容的影响4.2.3 特点及应用中存在的问题4.2.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路l电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。l调频电路l运算放大器式电路l二极管双T形交流电桥l脉冲宽度调制电路调频电路调频电路11特点：特点：n转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。n具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。n但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。运算放大器式电路运算放大器式电路12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）特点：特点：n解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题n要求Zi及放大倍数足够大n为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定n由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥正负半周分析：正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1 C2，则RL有信号输出几点说明：n该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。n当电容以PF级变化时，输出以V级变化。参考电位 比较器 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路波形差动脉冲宽度调制电路波形 U1触发器输出高电位 T电容充电时间 差动脉冲宽度调制电路 对于面积变化型差动电容传感器：电容式传感器的应用(1)(1)电容式传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，电容式传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，适合于在线和动态测量。适合于在线和动态测量。(2)(2)电容式传感器具有高灵敏度，且其极间的相互吸引力十电容式传感器具有高灵敏度，且其极间的相互吸引力十分微小，从而保证了较高的测量精度。分微小，从而保证了较高的测量精度。(3)(3)近年来电容式传感器被广泛地应用在厚度、位移、压力、近年来电容式传感器被广泛地应用在厚度、位移、压力、密度、物位等物理量的测量中。下面简单介绍几种电容密度、物位等物理量的测量中。下面简单介绍几种电容式传感器的应用。式传感器的应用。电容式传感器的应用1 1数字湿度计数字湿度计u湿度的检测广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。湿度的检测广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域。湿度的测量一般用湿敏元件。湿度的测量一般用湿敏元件。u常用的湿敏元件有阻抗式湿敏元件和电容湿敏元件。前者的阻抗与常用的湿敏元件有阻抗式湿敏元件和电容湿敏元件。前者的阻抗与湿度曲线呈现非线性；后者的电容与湿度曲线基本呈线性关系。湿度曲线呈现非线性；后者的电容与湿度曲线基本呈线性关系。u电容湿敏元件基本原理是相对湿度的变化影响到聚合物的介电常数，电容湿敏元件基本原理是相对湿度的变化影响到聚合物的介电常数，从而改变了传感器的电容值。从而改变了传感器的电容值。u传感器测量电路包括自激多谐振荡器、脉宽调制电路、频率传感器测量电路包括自激多谐振荡器、脉宽调制电路、频率/电压电压转换器电路转换器电路F/VF/V和和A/DA/D转换器。如下图所示。转换器。如下图所示。电容式传感器的应用2 2 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器3 3电容式料位传感器电容式料位传感器 下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐下图是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。器。图 电容式料位容式料位传感器感器结构构示意示意图 检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静传感器的静电电容可由下式表示：电电容可由下式表示：式中：式中：k k 比例常数；比例常数；被测物料的相对介电常数；被测物料的相对介电常数；空气的相对介电常数；空气的相对介电常数；D D储罐的内径；储罐的内径；d d 测定电极的直径；测定电极的直径；h h 被测物料的高度。被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容为假定罐内没有物料时的传感器静电电容为 ，放入物料后传感器静，放入物料后传感器静电电容为电电容为 ，则两者电容差为，则两者电容差为 由上式可见，两种介质常数差别越大，极径由上式可见，两种介质常数差别越大，极径D D与与d d相差愈小，传感器灵相差愈小，传感器灵敏度就愈高。敏度就愈高。非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。电容式传感器的应用 394、电容式差压变送器1高压侧进气口高压侧进气口2低压侧进气口低压侧进气口3过滤片过滤片4空腔空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油导压硅油7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片8镀金凹形电极镀金凹形电极9弹性平膜片弹性平膜片10 腔腔40高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置415 5 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。输出为高电平的型号。42液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：方法十分简单：用手指压住设定按钮，当用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。即可发出报警信号和控制信号。设定按钮设定按钮436 指纹识别 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。右图为指纹经过处理后的成像图：44指纹识别 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式传感器的应用 电容式传感器的应用 47本章结束，有何疑问？一、选择与填空题 1电容式传感器灵敏度最高的是 。A.极距变化型 B.面积变化型 C.介质变化型 2.电容式传感器是 传感器。A.接触式 B.非接触式 C.结构型 D.物性型 3.变间距式电容传感器适用于测量微小位移是因为 。A.电容量微弱、灵敏度太低 B.传感器灵敏度与间距平方成反比，间距变化大则非线性误差大 C.需要做非接触测量 4.极距变化型的电容式传感器存在着非线性度，为了改善非线性度及提高传感器的灵敏度，通常采用 的型式。二、简答 1.根据电容传感器的工作原理说明它的分类以及能够测量哪些物理参量？作业：电容式传感器 习题与思考题2.2.某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径 ，工作初始极板间距离，工作初始极板间距离 ，介质为空气。问：，介质为空气。问：（1 1）如果极板间距离变化量）如果极板间距离变化量 ，电容的变化量，电容的变化量 是多少？是多少？（2 2）如果测量电路的灵敏度）如果测量电路的灵敏度 ，读数仪表的，读数仪表的灵敏度灵敏度 （格（格mVmV）在）在 时，读数仪表的时，读数仪表的变化量为多少？变化量为多少？3.3.简述电容式传感器的优缺点。简述电容式传感器的优缺点。4.4.下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中下图为变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中C CX X为传感器电容，为传感器电容，C C为固定电容，假设运放增益为固定电容，假设运放增益 A=A=，输入阻抗，输入阻抗Z=；试推导输出电压；试推导输出电压U0与极板间距的关系，与极板间距的关系，并分析其工作特点。并分析其工作特点。配接电容式传感器的集成化信号调理电路CAV424芯片介绍由于集成电子电路与微电子技术的飞速发展，现已有与电容式传感器配用的集成化通用信号调理电路芯片的商品可供使用。如德国AMG公司开发的CAV424芯片。他对电容信号进行转换、放大，可以直接与A/D装换器或微处理器直接连接，或与AM402集成电路配用输出二线、三线制420mA的电流信号。工业实用的二线制420mA