電氣測試技術(shù)第三章 電容式傳感器

1、廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器變換原理變換原理: :將被測量轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :dsdsCr0+ds d d、s s或或r r發(fā)生變化時，發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。都會引起電容的變化。第一節(jié)第一節(jié) 工作原理及特性工作原理及特性廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院a)a)變面積型變面積型dsC角位移型角位移型+電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2、平面線位移型平面線位移型電容式傳感器電容式傳感器 dsC廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院柱面線位移型柱面線位移型. .)/ln(20dDlrC廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 b)b)變間隙型變間隙型+dsrC0+廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。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。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性

3、能優(yōu)越、使用方便。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院動圈式傳感器動圈式傳感器 線速度型線速度型廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 dsCd201201dsdck則靈敏度系數(shù)CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dk不是常數(shù),且與d 成反比。極距越小靈敏度越高，但非線性誤差會越大。實際應(yīng)用中為提高靈敏度和擴(kuò)大線性范圍，多采用差動式電容傳感器。20問題：問題：d是越小好還是大好呢？是越小好還是大好呢？廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu).)()(1111302000000001d

4、dddddCddcdddsddsC.)()(1111302000000002ddddddCddcdddsddsC.)()(1240200021ddddddCCCC電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院忽略高次項得002ddCC則靈敏度系數(shù)200022dsdCdCk結(jié)論：差動結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。差動結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。減小了非線性誤差。減小了非線性誤差。能夠更好地克服溫度等外界共模信號干擾。能夠更好地克服溫度等外界共模信號干擾。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院c) c) 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容式傳感器電容式傳感器 dsrC0廣東機(jī)電職

5、業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院DdHh1電容式液面計結(jié)構(gòu)原理圖 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計電容式液位傳感器（液位計/ /料位計）料位計）電容式傳感器電容式傳感器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電容式傳感器電容式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 測量電路測量電路a)a)交流電橋電路交流電橋電路 一、調(diào)幅型測量電路一、調(diào)幅型測量電路單臂電橋單臂電橋輸出電壓U0與電容C之間是非線性的。差動接法差動接法電容式傳感器電容式傳感器測量電路測量電路電壓或頻率信號電壓或頻率信號輸出電壓U0與電容C之間成線性關(guān)系。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院b) b

6、) 運算放大器電路運算放大器電路 電容式傳感器電容式傳感器 電路特點：使輸出電壓電路特點：使輸出電壓U0與電容傳感器兩級間的間距成正比。與電容傳感器兩級間的間距成正比。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、脈寬調(diào)制型測量電路二、脈寬調(diào)制型測量電路圖3.2.3 差動脈沖寬度調(diào)制電路雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器+-+-C1C2R2R1+-N1N2N3V1V2RSurPMNBQQAU0UFQQAB廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)知識回顧：基礎(chǔ)知識回顧：1、單門限比較器工作原理2、RS觸發(fā)器工作原理工作原理：通過利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨工作原理：通過利用傳感器電容充放電，使電路

7、輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化。電容傳感器的電容量變化而變化。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院LCf210電容式傳感器電容式傳感器 三、調(diào)頻型測量電路三、調(diào)頻型測量電路鑒頻器限幅放大器振蕩器CxLCx電容傳感器fufu廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 實際中存在的問題實際中存在的問題一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響由于構(gòu)成傳感器的材料不同，所以線膨脹系數(shù)不同。由于構(gòu)成傳感器的材料不同，所以線膨脹系數(shù)不同。溫度溫度t變化變化C的幾何形狀變化的幾何形狀變化電容量變化電容量變化C=C0+CP+Ct 傳感器的初始電容量傳感器的初始電容量被測信

8、號作用下電容量的增量被測信號作用下電容量的增量環(huán)境溫度變化產(chǎn)生附加的電容增量環(huán)境溫度變化產(chǎn)生附加的電容增量Ct決定傳感器溫度誤差的大小。決定傳感器溫度誤差的大小。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院二、電容電場的邊緣效應(yīng)二、電容電場的邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個附加電容，引起傳感器靈敏度降低和非線性增加。相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個附加電容，引起傳感器靈敏度降低和非線性增加。克服邊緣效應(yīng)的方法克服邊緣效應(yīng)的方法增加初始電容量增加初始電容量C0增大面積增大面積減小間距減小間距加裝等位環(huán)加裝等位環(huán)廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院三、寄生電容的影響三、寄生電容的影響1、除極板與極板間存在電容

9、外，極板與周圍物體也產(chǎn)生電容寄生電容。、除極板與極板間存在電容外，極板與周圍物體也產(chǎn)生電容寄生電容。2、寄生電容的存在對傳感器的影響、寄生電容的存在對傳感器的影響使傳感器的電容量發(fā)生改變使傳感器的電容量發(fā)生改變導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，并導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，并產(chǎn)生干擾產(chǎn)生干擾3、克服寄生電容：靜電屏蔽、克服寄生電容：靜電屏蔽廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院測量頭構(gòu)成電容器的一測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的近開關(guān)的介電常數(shù)介電常數(shù)發(fā)生發(fā)生變化，使得和測量頭相變化，使得和測量

10、頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .由此便由此便可控制可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷開關(guān)的接通和關(guān)斷; ;接接近開關(guān)的檢測物體，并近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀以是絕緣的液體或粉狀物體。物體。電容式傳感器的應(yīng)用舉例第三節(jié)第三節(jié)廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院構(gòu)成：構(gòu)成：膜片膜片動極板，一般采用不銹動極板，一般采用不銹鋼材料制作，需要加預(yù)張力。鋼材料制作，需要加預(yù)張力。 玻璃基片上鍍有金屬層的球面玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。極板，這里的球面很夸張。 球面的作用

11、是壓力過大時球面的作用是壓力過大時（過載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)（過載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)的非線性。的非線性。 后續(xù)測量電路常使用差動脈后續(xù)測量電路常使用差動脈 沖調(diào)寬電路。沖調(diào)寬電路。廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院以差動電容為檢測原理組成的電容式差壓變送器以差動電容為檢測原理組成的電容式差壓變送器 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Veridicom的指紋傳感芯片表面由的指紋傳感芯片表面由300300個電容傳感個電容傳感器組成。器組成。 當(dāng)個人把他的手指放在傳感器上時，手指充當(dāng)電容器當(dāng)個人把他的手指放在傳感器上時，手指充當(dāng)電容器的另外一極。由于手指上指紋紋路及深淺的存在，導(dǎo)

12、致硅的另外一極。由于手指上指紋紋路及深淺的存在，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容電壓的不同，通過測量并記錄各表面電容陣列的各個電容電壓的不同，通過測量并記錄各點的電壓值就可以獲得具有灰度級的指紋圖象。點的電壓值就可以獲得具有灰度級的指紋圖象。指紋傳感芯片：指紋傳感芯片：電容感應(yīng)原理電容感應(yīng)原理貝爾實驗室貝爾實驗室廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量1 齒輪齒輪 2 定極定極 3 電容傳感器電容傳感器 4 頻率計頻率計2 21 13 34 4其它應(yīng)用：其它應(yīng)用：廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1、一圓形平板式電容傳感器，極板面積為、一圓形平板式電容傳感器，極板面積為500mm ，初始間隙為初始間隙為0.5mm，空氣介質(zhì)，則該傳感器靈敏度為多，空氣介質(zhì)，則該傳感器靈敏度為多少？當(dāng)極板間隙減小少？當(dāng)極板間隙減小4um，則電容變化