传感器原理及应用-第5章-电容式传感器.ppt

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1、电容器电容器电容器电容器特性特性特性特性 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量电容值电容值电容值电容值测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I I I I、f f f f 第五章 电容式传感器 uu电容式传感器的定义电容式传感器的定义电容式传感器的定义电容式传感器的定义 以以以以电电电电容容容容器器器器为为为为敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件，将将将将被被被被测测测测非非非非电电电电量量量量的的的的变变变变化化化化转转转转换换换换为为为为电电电电容容容容量量量量变变变变化的传感器。化的传感器。化的传感器。化的传感器。uu电容式传感器的感测量电容式传感器的感测量电容式传感器的感测量电

2、容式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。uu电容式传感器的种类电容式传感器的种类电容式传感器的种类电容式传感器的种类 根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。变极距型、变面积型和变介质型。变极距型、变面积型和变介质型。变极距型、变面积型和变介质型。第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器

3、测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 电电容容极极板板间间介介质质的的介介电电常常数数，0为为真真空空介介电电常常数数，r极极板板间间介介质质的的相相对对介介电电常常数数；A两两平平行行板板所所覆覆盖盖的的面面积积；d两两平平行行板板之之间间的距离。的距离。两两个个平平行行金金属属板板组组成成的的平平板板电电容容器器，不考虑边缘效应时电容量为不考虑边缘效应时电容量为 一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构d d极板极板1极板极板2被被测测参参数数变变化化A、d或或发发生生变变化化时时，电容量电容量C也随之变化。也随之变化。仅仅改改变变

4、一一个个参参数数，该该参参数数的的变变化化可可转转换换为为电电容容量量的的变变化化，通通过过测测量量电电路路就就可可转转换换为为电电量量输出。输出。电容式传感器的三种类型：电容式传感器的三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型。变极距型、变面积型和变介电常数型。一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构若若电电容容器器极极板板间间距距离离由由初初始始值值d0缩缩小小了了d，电电容容量量增增大大了了C，则有，则有二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构d/d01时，时，1-(d/d0)21，则，则C与与d近近似似呈呈线线性性关关系系

5、。变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器只只有有在在d/d0很很小小时，才有近似的线性关系。时，才有近似的线性关系。1 1、基本输出特性、基本输出特性电容的相对变化量为电容的相对变化量为 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构当当|d/d0|1时，级数展开有时，级数展开有 输输出出电电容容的的相相对对变变化化量量与与输输入位移之间成非线性关系。入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：传感器的相对非线性误差：2 2、非线性特性、非线性特性电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原

6、理和结构3 3、灵敏度、灵敏度单单位位输输入入位位移移所所引引起起的的输输出出电电容容相相对对变变化化的的大大小小与与d0呈呈反反比比关系。关系。当当|d/d0|1时时有有近近似似线线性性关关系系 2 2、非线性特性、非线性特性要要提提高高灵灵敏敏度度，应应减减小小起起始始间间隙隙d0，但但非非线线性性误误差差却却随随着着d0的减小而增大。的减小而增大。一一般般变变极极板板间间距距离离电电容容式式传传感感器器的的起起始始电电容容在在20100pF之之间间，极板间距离在极板间距离在25200m的范围内。的范围内。最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10。变变极极距距电电容容式式传传感感器

7、器在在微微位位移测量中应用最广。移测量中应用最广。在在差差动动式式平平板板电电容容器器中中，当当动动极极板板位位移移d时时，电电容容器器C1的的间间隙隙d1变变为为d0-d，电电容容器器C2的的间间隙隙d2变变为为d0+d，则，则 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构在在实实际际应应用用中中，为为了了提提高高灵灵敏敏度度，减减小小非非线线性性误误差差，大大都都采采用用差差动动式式结结构。构。4 4、差动式结构、差动式结构动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2电容值相对变化量为电容值相对变化量为 二、

8、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构略略去去高高次次项项，则则C/C0与与d/d0近似线性关系为近似线性关系为电容值总的变化量为电容值总的变化量为 4 4、差动式结构、差动式结构动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2差动式传感器的灵敏度为差动式传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构差差动动式式传传感感器器的的相相对对非非线线性性误误差差近似为近似为 4 4、差动式结构、差动式结构动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极

9、板C1 d1C2 d2差差动动式式结结构构的的电电容容传传感感器器非非线线性性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。误差大大降低，灵敏度增加了一倍。两两种种常常用用变变面面积积型型电电容容传传感感器器：线位移式和角位移。线位移式和角位移。三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传传感感器器的的电电容容量量与与水水平平位位移移呈呈线线性关系。性关系。被被测测量量通通过过动动极极板板移移动动引引起起两两极极板板有有效效覆覆盖盖面面积积改改变变，产产生生电电容容量量的的变变化化。当当动动极极板板相相对对于于定定极极板板平平移移x时，则电容相对变化量为时，则电容相对变化

10、量为 1 1、平行平板线位移式、平行平板线位移式初始电容初始电容C0为为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传传感感器器的的电电容容量量与与内内筒筒线线位位移移呈呈线性关系。线性关系。当当覆覆盖盖长长度度变变化化时时，电电容容量量也也随随之之变变化化。当当内内筒筒上上移移为为a 时时，内内外外筒筒间的电容相对变化量为间的电容相对变化量为 2 2、同轴圆筒线位移式、同轴圆筒线位移式DdLa初始电容初始电容C0为为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传传感感器器的的电电容容量量与与角角位位移移呈呈线线性性关系。关系

11、。当当动动极极板板有有一一个个角角位位移移时时，与与定定极极板板间间的的有有效效覆覆盖盖面面积积就就发发生生改改变变，从从而而改改变变了了两两极极板板间间的的电电容容量量。电电容容相对变化量为相对变化量为 3 3、角位移式、角位移式设设固固定定极极板板长长度度为为a、宽宽度度为为b、两两极极板板间间的的距距离离为为d；被被测测物物的的厚厚度度和和介介电电常常数分别为数分别为dx和和,则则四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传传感感器器的的电电容容量量与与被被测测量量物物体体的的厚厚度度和介电常数有关。和介电常数有关。当当介介电电常常数数一一定定时时，通

12、通过过传传感感器器电电容容量的变化测量物体的厚度。量的变化测量物体的厚度。1 1、单组平板厚度式电容传感器、单组平板厚度式电容传感器 dxCC1C2C3设设极极板板宽宽度度为为b，板板间间无无介介质质2时时，传感器的电容量传感器的电容量四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与位移呈线性关系。传感器的电容量与位移呈线性关系。插入介质插入介质2 后的电容量后的电容量2 2、单组平板位移式电容传感器、单组平板位移式电容传感器 d21CBld12xCACACBC设设被被测测介介质质的的介介电电常常数数为为1，液液面面高高度度为为h,变变换换器器总总

13、高高度度为为H，内内筒筒外外径径为为d，外筒内径为外筒内径为D，变换器电容值为，变换器电容值为 四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构变换器的电容增量正比于被测液位高度。变换器的电容增量正比于被测液位高度。3 3、测量液位圆筒式电容传感器、测量液位圆筒式电容传感器 C2C1C 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 考考虑虑了了电电容容器器的的损损耗耗和和电电感感效效应应，电容

14、式传感器的等效电路。电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路5.2 电容式传感器等效电路根根据据等等效效电电路路，电电容容式式传传感感器器有有一一个个谐谐振振频频率率，通通常常为为几几十十兆兆赫赫。当当工工作作频频率率等等于于或或接接近近谐谐振振频频率率时时，谐谐振振频频率率破破坏坏传传感感器器正正常常作作用用。因因此此，工工作作频频率率应应该该选选择择低低于谐振频率。于谐振频率。并联损耗电阻并联损耗电阻Rp：表表示示极极板板间间的的泄泄漏漏电电阻阻和和介介质质损损耗耗。并并联联损损耗耗低低频频时时影影响响大大，随随着着工工作作频频率率增高，容抗减小，影响就减弱

15、。增高，容抗减小，影响就减弱。串联损耗电阻串联损耗电阻Rs：引引线线电电阻阻、电电容容器器支支架架和和极极板板电电阻阻的损耗。的损耗。电感电感L：电容器的电感和外部引线电感。电容器的电感和外部引线电感。第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 与与电电感感传传感感器器不不同同，电电容容传传感感器器中中电电容容值值和和电电容容变变化化量量都都十十分分微微小小，难难以以直直接接为仪表所显示和记录。为仪表所显示和记录。因因此

16、此，需需要要一一些些测测量量电电路路检检测测出出电电容容的的微微小小变变化化量量，并并转转换换成成相相应应的的电电压压、电电流流或频率输出。或频率输出。一、调频式测量电路一、调频式测量电路5.3 电容式传感器测量电路常用测量电路：常用测量电路：调调频频电电路路、运运算算放放大大器器电电路路、二二极极管管双双T形形交交流流电电桥桥、环环形形二二极极管管充充放放电电电电路路、脉冲宽度调制电路等。脉冲宽度调制电路等。Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器调调频频测测量量电电路路中中电电容容式式传传感感器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的的一一部部分分,当当输输入入量量导导致

17、致电电容容量量发发生生变变化化时时，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率就发生变化。就发生变化。若若用用频频率率直直接接作作为为测测量量系系统统的的输输出出量量，来来判判断断被被测测非非电电量量的的大大小小，具具有有非非线性、不易校正等问题。线性、不易校正等问题。因因此此，加加入入鉴鉴频频器器，频频率率变变化化转转换换为电压振幅变化来输出。为电压振幅变化来输出。调调频频振振荡荡器器的的振振荡荡频频率为率为 一、调频式测量电路一、调频式测量电路5.3 电容式传感器测量电路调调频频测测量量电电路路具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度，可测量高至可测量高至0.01m级位移变化量。级位移变化量。信信号号输输出

18、出频频率率易易于于用用数数字字仪仪器器测测量量，并并与与计计算算机机通通讯讯，抗抗干干扰扰能能力力强强，可可实实现遥测遥控。现遥测遥控。当当被被测测信信号号不不为为0时时，C0，振振荡荡器频率变化为器频率变化为 振振荡荡回回路路的的总总电电容容，C=C1+C2+Cx，C1为为振振荡荡回回路路固固有有电电容容,C2为为传传感感器器引引线线分分布布电电容容,Cx=C0C为为传感器的电容。传感器的电容。当当被被测测信信号号为为0时时，C=0，则则振振荡荡器器有有一一个个固固有频率为有频率为运运算算放放大大器器的的放放大大倍倍数数大大，输输入入阻阻抗抗高高,可可作作为为电电容容式式传传感感器的理想测量

19、电路。器的理想测量电路。二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路5.3 电容式传感器测量电路运算放大器电路输出电压为运算放大器电路输出电压为 测测量量电电路路输输出出电电压压的的相相位位与与电电源电压源电压的的反相。反相。设设Cx为为电电容容式式传传感感器器电电容容；Ui是是交交流流电电源源电电压压;Uo是是输输出出信信号号电电压压;是是虚虚地地点点。运运算算放放大大器器输输入入电电流流可可认认为为零零，根根据据克克希希荷夫定律有荷夫定律有平行平板电容传感器，则平行平板电容传感器，则二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路5.3 电容式传感器测量电路实实际际上上运运算算放放大大器器测测

20、量量电电路路仍仍然存在一定的非线性。然存在一定的非线性。为为保保证证仪仪器器精精度度，除除了了要要求求运运算算放放大大器器阻阻抗抗和和放放大大倍倍数数足足够够大大外外，还还要要求求电电源源电电压压的的幅幅值值和和固固定定电电容容值非常稳定。值非常稳定。运运算算放放大大器器的的输输出出电电压压与与极极板间距离成线性关系。板间距离成线性关系。在在运运算算放放大大器器的的放放大大倍倍数数和和输输入入阻阻抗抗无无限限大大的的条条件件下下，运运算算放放大大器器电电路路解解决决了了变变极极距距型型电电容容传感器的非线性问题。传感器的非线性问题。二二极极管管双双T形形交交流流电电桥桥电电路路中中，e为为高高

21、频频电电源源，提提供供了了幅幅值值为为U的的对对称称方方波波，VD1、VD2为为特特性性完完全全相相同同的的两两只只二二极极管管，R1、R2为为阻阻值值相相等等的的两两个个固固定定电电阻阻，C1、C2为为传传感感器器的两个差动电容。的两个差动电容。三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入）传感器没有输入C1=C2当当e为为正正半半周周时时，二二极极管管VD1导导通通、VD2截截止止，则则电电容容C1被被以以极极短短的的时时间间充充电电至至U。在在前前负负半半周周时时，电电容容C2已经充电至电压已经充电至电压U。1 1、电路基本结构、电路

22、基本结构 2 2、基本工作原理、基本工作原理 三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入时）传感器没有输入时C1=C2电电源源经经R1以以I1向向RL供供电电，而而电电容容C2经经电电阻阻R2和和负负载载电电阻阻RL放放电电，流流过过RL的的电电流流为为I2。流流过过RL的的总总电电流流IL为为I1和和I2的的代代数和。数和。2 2、基本工作原理、基本工作原理 同同理理，当当e为为负负半半周周时时，流流过过负负载载电电阻阻RL的电流为的电流为I1和和I2的代数和。的代数和。根根据据所所给给的的条条件件，在在一一个个周周期期内内流流过过负负

23、载载电电阻阻上上平平均均电电流流I1=I2、I1=I2且且方方向相反，流过向相反，流过RL的平均电流为零。的平均电流为零。三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时）传感器有输入时C1C2若若传传感感器器输输入入不不为为0，则则C1C2,I1I2,在在一一个个周周期期内内通通过过RL上上的的平平均均电电流流不不为为零零。因因此此，输输出出电电压压在在一一个个周期内平均值为周期内平均值为 2 2、基本工作原理、基本工作原理 输输出出电电压压既既与与电电源源幅幅值值和和频频率率f 有有关，又与电容关，又与电容C1和和C2的差值有关。的差值有关

24、。三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时）传感器有输入时C1C2当当RL一一定定时时，引引入入常常数数M，在在一一个周期内输出电压平均值可简写为个周期内输出电压平均值可简写为 2 2、基本工作原理、基本工作原理 当当电电源源确确定定后后，输输出出电电压压是是电电容容C1和和C2的函数。的函数。（3）双）双T电路的特点电路的特点线线路路简简单单，可可全全部部放放在在探探头头内内，大大大大缩缩短短了了电电容容引引线线、减减小小了了分分布布电电容的影响；容的影响；电电源源周周期期、幅幅值值影影响响灵敏度，要求高度稳定；灵敏度，要求高度稳定；

25、输输出出阻阻抗抗与与电电容容无无关关，克克服服了了电电容容式式传传感感器器高高内内阻阻的缺点；的缺点；适适用用于于具具有有线线性性特特性性的差动式传感器。的差动式传感器。在在环环形形二二极极管管充充放放电电法法测测量量电电容容电电路路中中，高高频频方方波波信信号号源源，通通过过环环形形二二极极管管电电桥桥，对对被被测测电电容容进进行行充充放放电电，环环形形二二极极管管电电桥桥输输出出一一个个与与被被测测电电容容成成正正比比的的微微安级电流。安级电流。四、环形二极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测量电路5.3 电容式传感器测量电路1 1、电路基本结构、电路基本结构 输输入入方方波波加加在在电

26、电桥桥的的A点点和和地地之之间间，Cx为为被被测测电电容容，Cd为为平平衡衡电电容容传传感感器器初初始始电电容容的的调调零零电电容容，C为为滤滤波波电电容容，A为为直直流流电电流表。流表。二极管双二极管双T形交流电桥的改进形交流电桥的改进（1）当当输输入入的的方方波波由由E1跃跃变变到到E2时时，电电容容Cx和和Cd两两端端的的电电压压皆皆由由E1充充电到电到E2。电电容容Cx的的充充电电电电流流为为i1，Cd的的充充电电电电流流为为i3。在在充充电电过过程程中中T1这这段段时时间间内内，VD2、VD4一一直直处处于于截截止止状状态态，由由A点点向向C点流动的电荷量为点流动的电荷量为四、环形二

27、极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测量电路5.3 电容式传感器测量电路在在放放电电过过程程中中T2这这段段时时间间内内，VD1、VD3截截止止，由由C点向点向A点流过的电荷量为点流过的电荷量为2 2、基本工作原理、基本工作原理 （2）当当输输入入的的方方波波由由E2返返回回到到E1时时，Cx、Cd放放电电，两两端端的的电电压压由由E2下下降到降到E1，放电电流分别为，放电电流分别为i2和和i4。（3）设设方方波波的的频频率率f=1/T0即即每每秒秒钟钟要要发发生生的的充充放放电电过过程程的的次次数数，由由C点点流流向向A点点的的平平均均电电流流为为I2,从从A点点流流向向C点点的的平平均均

28、电电流流为为I3,流流过过从从C至至A支支路路的的瞬时电流平均值为瞬时电流平均值为四、环形二极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测量电路5.3 电容式传感器测量电路环环形形二二极极管管充充放放电电测测量量电电路路的的输输出出电电流流I正正比比于于传传感感器电容值的增量器电容值的增量Cx。2 2、基本工作原理、基本工作原理 （4）令令Cx的的初初始始值值为为C0，Cx为为Cx的增量，的增量，Cx=C0+Cx。初始调节初始调节Cd=C0，则有，则有差差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路，通通过过对对传传感感器器电电容容的的充充放放电电，使使电电路路输输出出脉脉冲冲的的宽宽度度随随传传感感器器电电容容量

29、量变变化而变化。化而变化。通通过过低低通通滤滤波波器器，被被测测量量的的变化转换为直流信号输出。变化转换为直流信号输出。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路当当接接通通电电源源后后，若若触触发发器器Q端端为为高高电电平平，则则触触发发器器通通过过R1对对Cx1充电。充电。2 2、基本工作原理、基本工作原理 1 1、电路基本结构、电路基本结构 Cx1、Cx2为为差差动动式式传传感感器器的的两两个个电电容容；A1、A2是是两两个个比比较较器器，Ur为其参考电压。为其参考电压。当当F点点电电位位UF升升到到与与参参考考电电压压Ur相相等等时时，比比较较器器A1

30、产产生生一一脉脉冲冲使使触触发发器器翻翻转转，使使Q端端为为低低电电平平。此此时时，电电容容Cx1通通过过二二极极管管VD1迅迅速速放放电电至至零零，而而触触发发器器经经R2向向C2充电。充电。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 当当G点点电电位位UG与与参参考考电电压压Ur相相等等时时，比比较较器器A2输输出出一一脉脉冲冲使使触触发发器器翻翻转转。此此时时，电电容容Cx2通通过过二极管二极管VD2迅速放电至零。迅速放电至零。如此交替激励。如此交替激励。因因此此，电电路路充充放放电电的的时时间间，即即触触发发器器输输出

31、出方方波波脉脉冲冲的的宽宽度度受受电容电容Cx1、Cx2的调制。的调制。（1）当当Cx1=Cx2时时，触触发发器器两两端端电电平平的的脉脉冲冲宽宽度度T1和和T2相相等等，测测量量电电路路在在一一个个周周期期T=T1+T2时时间间内内输输出出平平均均电电压压为零。为零。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （2）当当Cx1Cx2时时，C1和和C2充充放放电电时时间间常常数数发发生生变变化化，触触发发器器两两端端电电平平的的脉脉冲冲宽宽度度T1和和T2不不相相等等，测测量量电电路路在在一一个周期个周期T=T1+T2时间内输

32、出平均电压为时间内输出平均电压为五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （3）在在一一个个周周期期内内输输出出平平均均电电压与传感器电容的关系为压与传感器电容的关系为对差动变极距型平行板电容传感器有对差动变极距型平行板电容传感器有同理，变面积型电容传感器有同理，变面积型电容传感器有因因此此，差差动动脉脉冲冲宽宽度度调调制制电电路路适适用用于于差差动动电电容容式式传传感感器器，并并具有理论上的线性特性。具有理论上的线性特性。电电路路采采用用直直流流电电源源，电电压压稳稳定定度度高高，不不存存在在稳稳频频、波波形形纯纯度度的要

33、求；的要求；经经低低通通放放大大器器可可输输出出较较大大的的直直流流电电压压，对对输输出出矩矩形形波波的的纯纯度度要求也不高。要求也不高。第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 电电子子技技术术的的发发展展，解解决决了了电电容容式式传传感感器器存存在在的的许许多多技技术术问问题题，使使电电容容式式传传感器应用广泛。感器应用广泛。精精确确测测量量：位位移移、厚厚度度、角角度度、振振动动等等物物理理量量；力力、压压力力、

34、差差压压、流流量量、成分、液位等参数。成分、液位等参数。在在自自动动检检测测与与控控制制系系统统中中也也常常常常用用来作为来作为位置信号发生器位置信号发生器。一、电容式压力传感器一、电容式压力传感器5.4 电容式传感器应用 凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片(动电极动电极动电极动电极)固定电极固定电极固定电极固定电极P差动型电容式压力差动型电容式压力/压差传感器：压差传感器：当当被被测测压压力力或或压压力力差差作作用用于于膜膜片片并并产产生生位位移移时时，两两个个电电容容器器的的电电容容量量，一一个增大，一个减小。个增大，一个减小。电电容容值值的的变变化化

35、经经测测量量电电路路转转换换成成与与压压力力或或压压力力差差相相对应的电流或电压的变化。对应的电流或电压的变化。二、电容式称重传感器二、电容式称重传感器5.4 电容式传感器应用 电电容容式式称称重重传传感感器器结结构构形形式式很很多多。基本原理：基本原理：利利用用弹弹性性敏敏感感元元件件受受压压后后变变形形，引引起电容随外加重量的变化而变化。起电容随外加重量的变化而变化。绝缘材料绝缘材料定极板定极板动极板动极板极板支架极板支架弹性体弹性体称称重重时时，弹弹性性元元件件受受力力变变形形，动动极极板发生位移，导致传感器电容量变化。板发生位移，导致传感器电容量变化。F在在弹弹性性钢钢体体上上高高度度

36、相相同同处处打打一一排排孔孔，在孔内形成一排平行的平板电容。在孔内形成一排平行的平板电容。在在电电路路上上各各电电容容是是并并联联的的，输输出出反反映映的的结结果果是是平平均均作作用用力力的的变变化化，测测量量误误差大大减小（误差平均效应）。差大大减小（误差平均效应）。三、电容式加速度传感器三、电容式加速度传感器5.4 电容式传感器应用 基本结构：基本结构：两两个个固固定定极极板板间间有有一一个个用用弹弹簧簧片片支支撑撑的的质质量量块块m，质质量量块块的的两两端端面面经经抛抛光光后后作作为为动极板。动极板。弹簧片弹簧片定极板定极板2 2质量块（动极板）质量块（动极板）定极板定极板1 1绝缘体绝

37、缘体aC1C2m基本原理：基本原理：当当传传感感器器测测量量竖竖直直方方向向的的振振动动时时，因因m的的惯惯性性作作用用，使使其其相相对对固固定定电电极极产产生生位位移移，两两个个差差动动电电容容器器C1和和C2的的电电容容发发生生相相应应的的变变化化，其其中中一一个变大，另一个变小。个变大，另一个变小。四、电容式传感器其他应用四、电容式传感器其他应用5.4 电容式传感器应用（1）电容式液位计）电容式液位计（2）电容式料位计）电容式料位计（3）电容式湿敏传感器）电容式湿敏传感器（4）电容式键盘）电容式键盘（5）电容传声器）电容传声器（6）生物识别技术）生物识别技术硅电容指纹图像传感器：硅电容指纹图像传感器：最最常常见见的的半半导导体体指指纹纹传传感感器器，通通过过电电子子度度量量来来捕捕捉捉指指纹纹。在在半半导导体体金金属属阵阵列列上上能能结结合大约合大约100,000个电容传感器。个电容传感器。