第五章 電容式傳感器

第5章

電容式傳感器

概述第5章電容式傳感器電容式接近開關電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器示例概述第5章電容式傳感器各種電容式傳感器示例飛機油量檢測概述第5章電容式傳感器各種電容式傳感器示例測量管道液位高度概述第5章電容式傳感器

電容器是電子技術的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一。

利用電容器的原理，將非電量轉換成電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的轉化的器件或裝置，稱為電容式傳感器。它實質上是一個具有可變參數(shù)的電容器。概述與電阻式、電感式傳感器相比的優(yōu)點：第5章電容式傳感器1.測量范圍大：相對變化量可達100%。2.靈敏度高：可達10-7。3.動態(tài)響應時間短：可動部件質量小，固有頻率高，適合于動態(tài)信號的測量。4.機械損失?。弘姌O間引力小，無摩擦，熱效應小，因此，精度高。5.結構簡單，適應性強：金屬做電極，無機材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。概述與電阻式、電感式傳感器相比的不足之處：第5章電容式傳感器1.寄生電容影響大：導線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當用變間隙原理進行測量時，具有非線性輸出特性。由于材料、工藝，特別是測量電路及半導體集成技術等方面已達到了相當高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。應用：

壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。5.1電容式傳感器的工作原理和結構第5章電容式傳感器d

ε——極板間介質的介電系數(shù)；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr

——極板間介質的相對介電常數(shù).

對于空氣介質，εr

≈1。A——極板間相互覆蓋面積（m2）；d——極板間距離（m）；

第5章電容式傳感器電容式傳感器變極距型變面積型變介質型等式右邊的三個參數(shù)改變任何一個都可以使電容值C發(fā)生變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。

5.1.1變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理初始電容

當減小時,即電容C增加

dΔdC0d0dCΔC

變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理當時，用泰勒級數(shù)展開

電容相對變化

變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理忽略高次項即當

(一般取0.02-0.1)時，電容的相對變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線性關系。變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)材料，如云母，塑料膜等作為介質。

變極板距離電容式傳感器在微位移測量中應用最廣。變面積型電容傳感器5.1基本工作原理

當其中一個極板發(fā)生Δx位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積A

，電容量C同樣隨之變化。5-5直線位移式因此，與位移呈線性關系。變面積型電容傳感器5.1基本工作原理θ定片動片5-6角位移式因此，與角位移呈線性關系。

變面積型電容傳感器5.1基本工作原理θ定片動片

角位移式變面積型電容傳感器不論是角位移式還是直線式，傳感器的電容值都與引起遮蓋面積變化的因素（轉角θ或直線位移x）呈線性關系。

變面積型電容傳感器5.1基本工作原理這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。

初始電容C0為：當內筒上移x時，內外筒間的電容Cx為：D1D0Lx與x成線性關系。變介質型傳感器變介質型電容傳感器5.1基本工作原理變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。

變介質型電容傳感器5.1基本工作原理右圖一種變極板間介質的電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖。設被測介質的介電常數(shù)為ε1,液面高度為h,變換器總高度為H,內筒外徑為d,外筒內徑為D,相當于兩個電容并聯(lián)電容增量與被測液位高度成正比線性關系則此時變換器電容值為

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性此處只討論變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性。電容的相對變化量：忽略高次項當時，用泰勒級數(shù)展開

表明單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化的大小與d0成反比關系要提高靈敏度，應減小初始間隙，但非線性誤差卻增大。在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結構。

非線性誤差差動式電容傳感器5.1基本工作原理為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結構。差動式電容傳感器5.1基本工作原理上下兩部分的初始電容：上移后：展開：

差動式電容傳感器5.1基本工作原理差動式電容傳感器的輸出為：非線性誤差為：略去高階無窮?。翰顒邮诫娙輦鞲衅?.1基本工作原理結論：差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍非線性誤差可以減小一個數(shù)量級。

5.3電容式傳感器的等效電路Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。電容式傳感器的等效電路一、等效電路電容式傳感器的等效電路由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。電容式傳感器的等效阻抗為：激勵電源角頻率5.3電容式傳感器的測量電路第5章電容式傳感器電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉換為電流、電壓的變化。由于作為傳感器在功能和結構上的要求，電容式傳感器不是理想電容。電容式傳感器中除了有電容之外，還存在著串、并聯(lián)電阻，以及串聯(lián)電感等。測量電路電容式傳感器的電容非常小（pF級的），需要用專門的電路進行轉換，成比例地將它變成電壓、電流或頻率信號供給或遠傳給后續(xù)裝置顯示、記錄及運算等。測量電路(一)調頻電路(二)運算放大器式電路(三)二極管雙T形交流電橋(四)差動脈寬調制電路5.4.1調頻電路

調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量導致電容量發(fā)生變化時,振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度,可以測至0.01μm級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊,抗干擾能力強,可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。5.4.2運算放大器式電路運算放大器測量電路如果傳感器是一只平行板電容，則：上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。

由放大器工作原理可得：克服了變極距型電容式傳感器的非線性Vi為高頻電源，當V1在正半周時，二極管D1導通，D2截止，C1充電。當Vi在負半周時，電容C1上的電流經R1,RL放電，電源Vi對電容C2充電；在下一個正半周，C2經R2,RL放電，若C1=C2，且二極管D1和D2的特性相同，則在同一個周期內，經過RL的平均電流為零。5.4.3二極管雙T形交流電橋

若傳感器輸入不為0,則C1≠C2,那么I1≠I2,此時RL上必定有信號輸出,其輸出在一個周期內的平均值為

式中f為電源頻率。當RL已知,上式中=M為常數(shù)。Uo=U

fM(C1-C2)輸出電壓與電容C1和C2的差值有關當輸入的方波由E1躍變到E2時，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對電容Cx充電的電流i1所示的方向；對Cd充電的電流如i3所示方向。

在充電過程中(T1這段時間)，VD2、VD4一直處于截止狀態(tài)。在T1這段時間內由A點向C點流動的電荷量為：

q1=Cd(E2-E1)

5.4.4環(huán)形二極管電路環(huán)形二極管電路當輸入的方波由E2躍變到E1時，電容Cx和Cd放電；電壓皆由E2放電到E1。對電容Cx放電的電流i2所示的方向；對Cd放電的電流如i4所示方向。

在放電過程中(T2這段時間)，VD1、VD3一直處于截止狀態(tài)。在T2這段時間內由C點向A點流動的電荷量為：

q2=Cx(E2-E1)

環(huán)形二極管電路設方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))，則由C點流向A點的平均電流為I2=Cxf(E2-E1),而從A點流向C點的平均電流為I3=Cdf(E2-E1),流過此支路的瞬時電流的平均值為式中,ΔE為方波的幅值，ΔE=E2-E1。令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx,調節(jié)Cd=C0則由上式可以看出，I正比于ΔCx。5.4.5脈沖寬度調制電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。差動脈沖調寬電路R2D1D2ABR1C1C2USCMUrN+--+QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1P(二)差動脈寬調制電路RS觸發(fā)器真值表RSQ01110000不變11不定C1、C2為差動式傳感器A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。如此循環(huán)反復，AB將輸出方波tuAuBuABUMUNUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUMUNUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt當C1=C2時當C1>C2時差動脈沖調寬電路各點電壓波形圖(二)差動脈寬調制電路二、測量電路當C1=C2時當C1>C2時UAP、UBP—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。設R1＝R2＝R，則:

(二)差動脈寬調制電路二、測量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。說明差動脈沖調制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

(二)差動脈寬調制電路二、測量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。對于差動式變極距型電容傳感器：(二)差動脈寬調制電路二、測量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。差動脈沖調寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調等；對元件無線性要求；經低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。5.5電容式傳感器的應用電子技術的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術問題，使電容式傳感器不但廣泛應用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。1.電容式差壓變送器

高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置1.電容式差壓變送器

3.4電容式傳感器的應用主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。凸玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極PLPH1.電容式差壓變送器

當PH=PL時，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側電容均為C0；當PH>PL時，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路1.電容式差壓變送器

各種電容式

差壓變送器外形

1.電容式差壓變送器

2.電容式測微儀

非接觸式精確測量位移和振動幅度。在最大量程為(100±5)um時，最小檢測量可達0.01um。a)測振幅b)測軸回轉精度和軸心偏擺被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器假設采用運算法測量電路，則輸出電壓和位移成線性關系。3.電容式液位計

電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。依此原理還可進行其它形式的物位測量。對導電介質和非導電介質都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。3.電容式液位計

3.4電容式傳感器的應用右圖為用于測量非導電介質的同軸雙層電極電容式液位計。內電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。

1、2-內、外電極；

3-絕緣套；4-流通孔安裝形式4.濕度測量

3.4電容式傳感器的應用濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。5.電容式鍵盤

3.4電容式傳感器的應用常規(guī)的鍵盤有機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實現(xiàn)信息轉換.6.電容式傳聲器

3.4電容式傳感器的應用駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。7.電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應用目前的指紋采集技術主要有光學采集、半導體采集、超聲波采集。(1)半導體壓感式傳感器

其表面的頂層是具有彈性的壓感介質材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉化為相應的電子信號,并進一步產生具有灰度級的指紋圖像。(2)半導體溫度感應傳感器

它通過感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷溫度的不同就可以