電容式傳感器及其應(yīng)用課件

電子信息及自動(dòng)化學(xué)院賀曉蓉電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)10/29/20221電子信息及自動(dòng)化學(xué)院電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)10/22/20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)、抗過載能力大及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以用來測(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。第四章電容式傳感器及其應(yīng)用10/29/20222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。變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。再通過配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。4.1原理

10/29/20223變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容

1.變間隙型（變極距型）4.2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。10/29/202241.變間隙型4.2類型靈敏度：間隙變化電容傳感器用于從

可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。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。

10/29/20225從

可看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10/29/20226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)傳聲器輸出電壓增量和被測(cè)聲壓成正比。10/29/20227傳聲器輸出電壓增量和被測(cè)聲壓成正比。10/22/20227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10/29/20228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。10/29/20229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。無線傳聲器實(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)整在無線傳聲器發(fā)射的頻率上，同樣能收聽到無線傳聲器發(fā)出的聲音。

無線傳聲器補(bǔ)充10/29/202210無線傳聲器實(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)角位移型+++2.變面積型（A型）10/29/202211角位移型+2.變面積型（A型）10/22/202211板狀（平面）線位移型10/29/202212板狀（平面）線位移型10/22/202212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。10/29/202213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10/29/202214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，通過檢測(cè)，放大轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。10/29/202215壓力變送器1151系列被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，10/29/20221610/22/2022163.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、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度、容量等。10/29/2022173.變介電常數(shù)型（型）大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品10/29/202218電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品10/22/20221capaNCDT非接觸電容式位移傳感器

capaNCDT系列非接觸電容位移傳感器是由德國米銥測(cè)試技術(shù)公司生產(chǎn)制造的。10/29/202219capaNCDT非接觸電容式位移傳感器capaNCDT系列產(chǎn)品10/29/202220產(chǎn)品10/22/202220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10/29/202221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。10/29/202222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、10/29/20222310/22/202223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10/29/202224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a)電橋電路4.3測(cè)量電路10/29/202225a)電橋電路4.3測(cè)量電路10/22/202225b)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。10/29/202226b)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。10/29/202227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)C）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=010/29/202228C）差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路C1>C2:A點(diǎn)脈寬>B點(diǎn)脈寬,uAB當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時(shí)，則通過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。10/29/202229當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時(shí)，則通過R1對(duì)C1充電。直到當(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，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

C1=C2C1≠C210/29/202230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d)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：10/29/202231d)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4.4特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)高靈敏、高精度、高分辨力(0.001m)，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.10/29/2022324.4特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)高靈敏、高精度、高分辨力(0.04.5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

10/29/2022334.5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)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。10/29/202234案例3.電容式轉(zhuǎn)速傳感器案例4.電容式測(cè)厚儀10/22/2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）體的有無和液位。透過非金屬容器壁非接觸式測(cè)量介質(zhì)，無需在容器上開孔。10/29/202235棒式探極纜式探極電容傳感器測(cè)深度測(cè)角度（動(dòng)畫）10/29/202236電容傳感器測(cè)深度測(cè)角度（動(dòng)畫）10/22/202236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，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(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，通過檢測(cè)增加的電容來進(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)。10/29/202237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應(yīng)用：毫無疑問，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)要求用戶通過一個(gè)快速的認(rèn)證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認(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)證無法通過，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)。10/29/202238應(yīng)用：10/22/202238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/她將手指置于傳感器上，啟動(dòng)識(shí)別過程。不到一秒鐘，電腦將檢測(cè)到的指紋模板與存儲(chǔ)的模板進(jìn)行比較，并建立一個(gè)與駕駛者相符的相關(guān)設(shè)置。指紋模板和匹配軟件保存在汽車內(nèi)的一個(gè)嵌入式模塊中。當(dāng)指紋匹配成功時(shí)，汽車便按已編程設(shè)定的內(nèi)部參數(shù)來控制后視鏡、汽車座椅、無線基站以及車內(nèi)空氣環(huán)境。此外，還可控制駕駛速度，如果駕駛者僅為十來歲的孩子，則將速度限制在每小時(shí)55公里。目前這些傳感器已完成設(shè)計(jì)，并用于美國政府機(jī)構(gòu)及警察局進(jìn)行指紋識(shí)別。不久的將來還將逐漸用于汽車單觸式無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)，以及信息安全中。10/29/202239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)鑒案例7.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1）用電容式傳感器檢測(cè)呼吸率

當(dāng)面積為A的電容平板靠近人體時(shí)，平板與人體間構(gòu)成電容C，即:其中為平板與人體間的距離；是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣為1，對(duì)于人體則較為復(fù)雜。當(dāng)人體的某些位移性的生理活動(dòng),例如呼吸運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致決定C值的ε和d等物理量改變時(shí),將使C值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因而對(duì)呼吸波的檢測(cè)，即可通過對(duì)C值的變化進(jìn)行檢測(cè)而得出。2）電容式位移傳感器在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用電容式位移傳感器在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要在于假肢的運(yùn)動(dòng)控制。此類產(chǎn)品一般都裝有力、位移傳感器、微機(jī)處理系統(tǒng)和力矩控制裝置，可以感受步行速度、路面狀況等信息，并根據(jù)這些信息，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)力矩，改變假肢的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到保證安全，改善步態(tài)的目的。10/29/202240案例7.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用1）用電容式傳感器檢測(cè)呼吸率當(dāng)面積思考題

1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應(yīng)注意什么問題?2.為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征?3.有一平面直線位移差動(dòng)傳感器特性其測(cè)量電路采用變壓器交流電橋,結(jié)構(gòu)組成如圖所示.電容傳感器起始時(shí)b1=b2=b=2mm,極距=2mm,極間介質(zhì)為空氣,測(cè)量電路u1=3sinwtV,且u=u.試求當(dāng)動(dòng)極板上輸入一位移量△x=5mm時(shí),電橋輸出電壓u0。

10/29/202241思考題1.試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?電子信息及自動(dòng)化學(xué)院賀曉蓉電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)10/29/202242電子信息及自動(dòng)化學(xué)院電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)10/22/20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)、抗過載能力大及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，可以用來測(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。第四章電容式傳感器及其應(yīng)用10/29/202243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。變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。再通過配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。4.1原理

10/29/202244變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容

1.變間隙型（變極距型）4.2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。10/29/2022451.變間隙型4.2類型靈敏度：間隙變化電容傳感器用于從

可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。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。

10/29/202246從

可看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10/29/202247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)傳聲器輸出電壓增量和被測(cè)聲壓成正比。10/29/202248傳聲器輸出電壓增量和被測(cè)聲壓成正比。10/22/20227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10/29/202249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。10/29/202250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。無線傳聲器實(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)整在無線傳聲器發(fā)射的頻率上，同樣能收聽到無線傳聲器發(fā)出的聲音。

無線傳聲器補(bǔ)充10/29/202251無線傳聲器實(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)角位移型+++2.變面積型（A型）10/29/202252角位移型+2.變面積型（A型）10/22/202211板狀（平面）線位移型10/29/202253板狀（平面）線位移型10/22/202212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。10/29/202254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10/29/202255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，通過檢測(cè)，放大轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。10/29/202256壓力變送器1151系列被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，10/29/20225710/22/2022163.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、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度、容量等。10/29/2022583.變介電常數(shù)型（型）大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品10/29/202259電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）產(chǎn)品10/22/20221capaNCDT非接觸電容式位移傳感器

capaNCDT系列非接觸電容位移傳感器是由德國米銥測(cè)試技術(shù)公司生產(chǎn)制造的。10/29/202260capaNCDT非接觸電容式位移傳感器capaNCDT系列產(chǎn)品10/29/202261產(chǎn)品10/22/202220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10/29/202262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。10/29/202263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、10/29/20226410/22/202223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10/29/202265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a)電橋電路4.3測(cè)量電路10/29/202266a)電橋電路4.3測(cè)量電路10/22/202225b)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。10/29/202267b)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。10/29/202268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)C）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=010/29/202269C）差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路C1>C2:A點(diǎn)脈寬>B點(diǎn)脈寬,uAB當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時(shí)，則通過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。10/29/202270當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時(shí)，則通過R1對(duì)C1充電。直到當(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，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

C1=C2C1≠C210/29/202271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d)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)杩共捎秒娙輦鞲衅鳎鶕?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：10/29/202272d)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4.4特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)高靈敏、高精度、高分辨力(0.001m)，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.10/29/2022734.4特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)高靈敏、高精度、高分辨力(0.04.5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

10/29/2022744.5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)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。10/29/202275案例3.電容式轉(zhuǎn)速傳感器案例4.電容式測(cè)厚儀10/22/2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）體的有無和液位。透過非金屬容器壁非接觸式測(cè)量介質(zhì)，無需在容器上開孔。10/29/202276棒式探極纜式探極電容傳感器測(cè)深度測(cè)角度（動(dòng)畫）10/29/202277電容傳感器測(cè)深度測(cè)角度（動(dòng)畫）10/22/202236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，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(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，通過檢測(cè)增加的電容來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器中的像素點(diǎn)為45平方微