傳感器第六課 (2)課件

授課班級(jí)電子1001班第6次課授課時(shí)間3月7日星期三月日星期月日星期授課地點(diǎn)知行樓401教學(xué)目的：掌握電容式傳感器的工作原理及測量電路教學(xué)方法：舉例法講授法重點(diǎn)：電容式傳感器的工作原理難點(diǎn)：電容式傳感器的測量電路能力培養(yǎng)：利用電容量的變化測量被測量教具：多媒體3.2電容式傳感器的測量電路1.變壓器電橋電路C1C2U0U變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。圖中C1、C2為差動(dòng)電容傳感器的電容。變壓器次級(jí)的中點(diǎn)接地作為輸出電壓U0的零點(diǎn)。電橋的輸出電壓為：2.運(yùn)算放大器電路圖3-13運(yùn)算放大器測量電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運(yùn)算放大器輸入阻抗很高、增益很大時(shí)，可認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零，根據(jù)克?；舴蚨?，有：若傳感器是一平行板電容，則：代入（3-20）式得：可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的板間距離d成正比。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問題。

上式是在運(yùn)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(shí)際上該測量電路仍然存在一定的非線性。利用對(duì)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(duì)應(yīng)被測量變化的直流信號(hào)。C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。圖3-16差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A13.差動(dòng)脈寬調(diào)制電路根據(jù)電路知識(shí)可知：UA、UB—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。A、B兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點(diǎn)電壓平均值UA與UB之差設(shè)R1＝R2＝R，則

說明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器：對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來說，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。

+-圖3-19邊緣效應(yīng)1．消除和減小邊緣效應(yīng)3.3保持電容式傳感器特性穩(wěn)定的方法等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場?？稍诮Y(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。圖3-20帶有等位環(huán)的平板式電容器傳感器等位環(huán)3+-電極1電極2邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法（1）增加傳感器原始電容值

采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在10-3~103pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變化在10-6~1范圍內(nèi)。

（2）集成化

將傳感器與測量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。圖3-21“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)1：1+測量電路外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器-傳感器與測量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過增益為1的放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。

當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百μF)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達(dá)10m，儀器仍能正常工作。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。C1和C2構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器，與平衡電阻Z1和Z2組成測量電橋，Cp1和Cp2為寄生電容。C1C2CP1CP2Z1Z2-A圖3-23交流電橋的整體屏蔽屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩平衡電阻阻抗臂Z1和Z2中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和Cp2分別與Z1和Z2相并聯(lián)。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，則寄生電容Cp1和Cp2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。

最易滿足上述要求的是變壓器電橋。圖3-11變壓器式交流電橋Cr1Cr2USCUZ1Z2還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容C1和C2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界電磁場的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長達(dá)10m以上時(shí)仍能測出1pF的電容。（6）防止和減小外界干擾

當(dāng)外界干擾(如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀器無法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為：

屏蔽和接地。傳感器殼體、導(dǎo)線、傳感器與測量電路前置級(jí)等。增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。4.4電容式傳感器的應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號(hào)發(fā)生器。1.電容式差壓變送器

高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置1.電容式差壓變送器

凸玻璃圓片彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極PLPH輸出USC與差壓PH-PL成正比。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

利用電容差壓變送器測量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh2.電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕3.濕度測量

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。濕敏電容外形吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。4.硅微加工加速度傳感器

加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。5.電容式鍵盤

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

3.4電容式傳感器的應(yīng)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(fēng)，目前使用的話筒大多是動(dòng)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

傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同,測量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。

7.電容式指紋傳感器

指紋識(shí)別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。7.電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像,分辨率可高達(dá)600dpi,并且指紋采集時(shí)不需要象光學(xué)采集設(shè)備那樣,要求有較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧,功耗很低,可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中,這是光學(xué)采集設(shè)備所無法比擬的,現(xiàn)在許多指紋識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來進(jìn)行。7.電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用

指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，