3.4电容式传感器修正.ppt

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1、 思考：我们都学过电容器方面的知识，你还记得平板电容器的电容量的计算公式吗？u 传感电容器检测液面高度 如图2所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测液面高低的仪器原理图。电容器的两个电极分别用导线接到指示器上，指示器可显示出电容的大小。生活中常见的电容式传感器的应用液位传感器 u 自动烘干机 随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭。洗手后将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作。根据自动干手机的特征，即手靠近，电热器开始工作，手撤离，电热器开始停止工作。人是一种导体，可以和其它导体构成电容器，手靠近干手机相当于连接了一个

2、电容器，手靠近改变了电容。u计算机键盘上按键的工作机理 键盘是计算机必备的输入硬件之一，现有一种电容传感式键盘，其基本构造如图3所示，在键盘上每个按键下有一个金属片，键盘底片上有一与之正对相互绝缘的金属片，两金属片构成电容，加在两金属片上有恒定电压U，当敲打某个按键时，两金属片间距离变化而导致带电荷量Q随之改变，计算机就能识别出哪个键被敲打。好像在突然之间，电容式传感器就无处不在了。它被安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置，在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态，甚至冰箱也使用其来控制自动去冰过程。但是直到现在，它最大的潜在应用领域还是触摸开关，触摸开关已越来越多地出现在消费电子产品中

3、。3.4 电容式传感器 定义：电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。压差变送器压差变送器 接近开关接近开关 三轴加速度三轴加速度传感器传感器 物位开关物位开关 优点：结构简单，体积小，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。测量参数：压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等3.4.1 电容式容式传感器的工作原理感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用3.4.1 电容式

4、传感器的工作原理1.工作原理 最简单的电容器：用两金属板作电极，中间为某种介质，若忽略边缘效应时dS其中：C 电容量（PF）S 极板间相互覆盖面积（）D 极板间距离（cm）极板间介质的介电常（）真空的介电常数 （PF/cm）介质相对介电常数 ，对于空气介质 上式还可以写成：由式可见，在 ，S，d三个参数中，任一参数发生变化时，电容量C也随之发生变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。根据改变参数不同，电容传感器一般分三种类型：（1）变极距型电容传感器（2）变面积型电容传感器（3）变介电常数型电容传感器变极距变极距(d）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)

5、、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)2.变极距型电容传感器非线性关系 若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度1.静态灵敏度平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型baab d kg减小d、增大b、采用差动结构可提高灵敏度2.非线性变极距型变极距型变极距型变极距型 将上式展开成泰勒级数得 d 取值不能大，否则将降低灵敏度 采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量 差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量被测量与d 成线性关系 无需满足1、特点 优点:1.温度稳定

6、性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强 3.动态响应好 4.可以实现非接触测量、具有平均效应3.4.3 传感器的特点和设计要点 动态响应好n极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 n可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。n介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差。传感器的电容量受其电极几何尺寸

7、等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大。传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 2.设计要点n 减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 n 消除和减小边缘效应 n 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 n 尽可能采用差动式电容传感器 低成本

8、、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应3.4.4 电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL在高温、高湿环境下低频等效电路 n传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略n等效电容C=C0+Cp，n等效电阻ReRg

9、 CRg高频等效电路 n电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而rer reCL由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。思考：电容式传感器的输出电容值非常小（通常只有几皮法至几十皮法），不便直接显示、记录，更难以传输，怎么办？3.4.5 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容量以及电容量变化值都十分微小，不能直接为目前的显示仪

10、表所显示；借助于测量电路检出这一微小电容增量，并转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率；电容转换电路有交流电桥电路、调频电路、运算放大电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等。nCx为电容传感器，电桥平衡时，n 输出电压U0=0。nCx变化时，U00，由此可测得电容的变化值。（1 1）桥式测量转换电路）桥式测量转换电路单臂接法相邻的两臂接入差动式电容传感器。空载时的输出电压为 差动接法(2)(2)调频式测量转换电路调频式测量转换电路n当输入量导致传感器的电容量发生变化时，振荡器的振荡频率也频率也相应地变化变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。n在实现了电容到频率的转

11、换后，再用鉴频器把频率的变化转换为幅度的变化，经放大后输出，进行显示和记录。调频电路当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，c0，此时频率为 具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 (3)运算放大器式电路 最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知 结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此

12、仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。(4)二极管双T型电路 当当UE为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导通、导通、VD2截止，于是电容截止，于是电容C1充电充电;在随后负半周出现时，电容在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻上的电荷通过电阻R1，负载电阻，负载电阻RL放电，放电，流过流过RL的电流为的电流为I1。UE在负半周内，在负半周内，D2导通、导通、D1截止，截止，则电容则电容C2充电，在随后出现正半周时，充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2。根据上面所给的条件，则

13、电流。根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。的平均电流为零。高频电源高频电源,它提它提供幅值为供幅值为UE 的的对称方波对称方波VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管,R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差动电容，当传感器没有输入时,C1=C2(5).差动脉冲调宽电路 n利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化n通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 如如图图,C C1 1、C C2 2为为传传感感器器的的差差动动电电容容，当当电电源源接接通通时时，设设双双稳稳态态触触发发器

14、器的的A A端端为为高高电电位位，B B端端为为低低电电位位，因因此此A A点点通通过过R R1 1对对C Cl l充充电电，直直至至F F点点上上的的电电位位等等于于参参考考电电压压U Ur r时时，比比较较器器A A1 1产产生生一一个个脉脉冲冲，触触发发双双稳稳态态触触发发器器翻翻转转，A A点点成成低低电电位位，B B点点成成高电位。此时高电位。此时F F点电位经点电位经二二极极管管V VD1D1迅迅速速放放电电至至零零，而而同同时时B B点点的的高高电电位位经经R R2 2向向C C2 2充充电电。当当G G点点的的电电位位充充至至U Ur r时时，比比较较器器A A2 2产产生生一

15、一脉脉冲冲，使使触触发发器器又又翻翻转转一一次次，使使A A点点成成高高电电位位，B B点点成成低低电电位位，又又重重复复上上述述过过程程。如如此此周周而而复复始始，在在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C C1 1、C C2 2调制的脉冲方波。调制的脉冲方波。C C1 1C C2 2 时时 C C1 1 C C2 2 时时 uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间式中 Ur触发器的参考电压 设R1=R2=R，则得 结

16、论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2 差动变极距型差动变面积型 特性：特性：特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式 电容式传感器并具有理论上的线性特性 3.4.6 电容式传感器的应用 1.1.电容式接近开关电容式接近开关齐平式齐平式 非齐平式非齐平式非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装非非齐齐平平式式安安装装时时，传传感感器器高于安装支架，易损坏。高于安装支架，易损坏。电容式接近开关外形电容式接近开关外形电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中

17、的使用 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示图图示示为为电电容容开开关关在在工工程程中中的的一一个个应应用用。要要求求对对某某个个工工件件进进行行加加工工，工工件件用用夹夹具具固固定定在在移移动动工工作作台台上上，工工作作台台由由一一个个主主电电机机拖拖动动，作作来来回回往往复复运运动动，刀刀具具作作旋旋转转运运动动。现现用用两两个个电电容容开开关关来来决决定定工工作作台台何何时时换换向向。当当“A A”号号传传感感器器有有输输出出信信号号时时，使使主主电电机机停停止止反反转转，同同时时，接接通通其其正正转转电电路路，从从而而使使工工作作台台向向右右

18、运运动动；当当“B B”号号传传感感器器有有输输出出信信号号时时，使使主主电电机机停停止止正正转转，同同时时，接接通通其其反反转转电电路路，从从而而使使工工作作台台向向左左运运动动。这这样样，就就实实现现了了工工作台的行程限位。作台的行程限位。2.2.电容式油量表电容式油量表 当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停留留在在转转角角为为 m m处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量C Cx x减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动R

19、PRP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RPRP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x x 处）。处）。电容式液位计电容式液位计电容式液位计电容式液位计 棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。间的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套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的区别在于：它不给出模拟量，而

20、是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的液位限位传感器的设定设定 智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯3.3.电容式差压变送器电容式差压变送器 高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口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P2

21、玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电电电电容容容容式式式式差差差差压压压压传传传传感感感感器器器器 结结构构结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形 以差动电容为检测原理组成的以差动电容为检测原理组成的电容式差压变送器电容式差压变送器 231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 4.电

22、容式加速度传感器钻地导弹钻地导弹 电容式加速度传感器的应用一 钻地导弹其头部安装了电容式加速度传感器后，就可以延时起爆，从而保证钻地导弹钻地的深度。轿车安全气囊轿车安全气囊 电容式加速度传感器安装在轿车上，就可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及同排的乘员的胸部及头部，从而保证其生命的安全。电容式加速度传感器的应用二5.5.电容式转速传感器电容式转速传感器设齿数为设齿数为Z Z，由计数器得到的频率，由计数器得到的频率为为f f，则转速，则转速n n（r r/minmin）为）为:6.6.电容

23、式位移传感器电容式位移传感器电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。电荷平衡式位移传感器 可变电压VM与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。7.电容式测厚传感器电容式测厚传感器 应用应用 被测带材被测带材轧辊轧辊工作极板工作极板差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线

24、连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。8.8.湿敏电容湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为加（水的相对介电常数为8080），所以电容量增大。），

25、所以电容量增大。湿敏电容湿敏电容湿敏电容湿敏电容外形外形外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形结论：结论：根据电容量的变化即可知道外界湿度的变化。根据电容量的变化即可知道外界湿度的变化。多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 9.容栅式传感器容栅式传感器 基本类型及工作原理容栅传感器电极的结构形式信号处理方式容栅式传感器应用 基本类型及工作原理 l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状长容栅n动尺栅级片数 a,b栅极片长度和宽度CCmax0aW3a2Wx柱状圆容栅r2,r1 圆盘栅极片外半径和内半径 a 每条栅极片对应的圆

26、心角（rad）容栅传感器电极的结构形式（a）直电极反射式（b）直电极透射式（c）反射式L型电极(a)直电极反射式结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大(b)直电极透射式测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难(c)反射式L型电极增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性 信号处理方式n鉴幅式测量电路系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用，n鉴相式测量电路系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。（a）鉴幅式测量系统（b）鉴相式测量系统式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值；发

27、射电极激励信号基波电压的频率。设 设 反映了传感器输出电压相位的变化规律，而又与位移x有关，故通过测量输出电压的相位，就可间接的测量位移的大小。鉴相式测量电路具有较强的抗干扰能力。鉴相式测量电路在理论上还存在非线性误差，同时由于激励电压含有高次谐波，影响了测量精度。容栅式传感器应用n主要应用于量具、量仪和机床数显装置。n角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。n线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用 10.10.电容式指纹传感器电容式指纹传感器n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。电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 笔记本指纹识别笔记本指纹识别 汽汽车车防盗指防盗指纹识别纹识别 指指纹识别纹识别手机手机 工作原理：当指纹中的凸起部分置于传感器电容像素电极上时，其电容量会有所增加，通过检测增加的电容量来进行数据采集。