電容式傳感器優(yōu)秀文檔

第五章電容式傳感器電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型（極距、面積、介質(zhì)）電容式傳感器的性能特點(diǎn)電容式傳感器的等效和測量電路電容式傳感器的應(yīng)用本章內(nèi)容：測量技術(shù)基礎(chǔ)變換原理：將被測非電量的變化轉(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)，都會引起電容的變化。變極距型變面積型變介質(zhì)型傳感器類型§5.1電容式傳感器的工作原理一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型變極距：

δ取值不能大，否則將降低靈敏度一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型差動電容變化量優(yōu)點(diǎn)：1、減小非線性誤差2、提高傳感器靈敏度3、減小寄生電容的影響4、減小溫度、濕度等環(huán)境因素的影響實(shí)際應(yīng)用常采用差動式結(jié)構(gòu)。C2C1d1d2ε0ε0Δδ一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型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。

一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型指紋識別指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型指紋識別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近）和溝（遠(yuǎn)）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。指紋識別一、間隙變化型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型二、變面積型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型陶瓷電容壓力傳感器液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生位移。

壓力變送器二、變面積型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型(a)極板上覆蓋有介質(zhì)(b)介質(zhì)可移動三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品.電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(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。三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型三、變介質(zhì)型§5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型

1.溫度穩(wěn)定性好； 2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)； 3.動態(tài)響應(yīng)好； 4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差； 2、寄生電容影響大；3、輸出特性非線性。優(yōu)點(diǎn):§5.3電容式傳感器的性能特點(diǎn)2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型5電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的性能特點(diǎn)2、寄生電容影響大；0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。3電容式傳感器的性能特點(diǎn)Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；5電容式傳感器的應(yīng)用被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。2、有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數(shù)為1.當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器4電容式傳感器的測量電路(2)電容式傳感器的測量電路消除寄生電容方法1、減小連線電纜長度;2、采用等電位驅(qū)動技術(shù)。§5.3電容式傳感器的性能特點(diǎn)(1)電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻，包括：極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗。rC0CPRgL§5.4電容式傳感器的測量電路低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

CeRg§5.4電容式傳感器的測量電路高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電阻的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈rreCeL§5.4電容式傳感器的測量電路調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路二極管雙T型交流電橋電橋測量電路脈沖寬度調(diào)制電路測量電路類型(2)電容式傳感器的測量電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都非常小，這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示，也很難為記錄儀所接受，不便于傳輸。因此必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。§5.4電容式傳感器的測量電路調(diào)頻測量電路§5.4電容式傳感器的測量電路結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

運(yùn)算放大電路§5.4電容式傳感器的測量電路線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。C2(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2二極管雙T型電路§5.4電容式傳感器的測量電路電橋電路文氏式電容測量電橋§5.4電容式傳感器的測量電路變壓器式電橋電路(a)變壓器式電橋原理圖(b)測量電路電橋電路§5.4電容式傳感器的測量電路差動脈沖調(diào)寬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。脈沖寬度調(diào)制電路圖脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形§5.4電容式傳感器的測量電路設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為δ1、δ2和S1、S2

差動變極距型差動變面積型特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器具有理論上的線性特性 采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高; 不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求;不需要相敏檢波與解調(diào)等; 對元件無線性要求; 經(jīng)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不高。差動脈沖調(diào)寬電路§5.4電容式傳感器的測量電路1、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化。聚四氟乙烯外套§5.5電容式傳感器的應(yīng)用2、硅微加工加速度傳感器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），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?！?.5電容式傳感器的應(yīng)用微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g安裝諧振點(diǎn):8kHz分辨力：0.00004g重量：200g安裝螺紋：M5mm線性誤差：≤1%§5.5電容式傳感器的應(yīng)用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§5.5電容式傳感器的應(yīng)用汽車氣囊的保護(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電容式傳感器的應(yīng)用汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用§5.5電容式傳感器的應(yīng)用利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置§5.5電容式傳感器的應(yīng)用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)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。3、濕敏電容§5.5電容式傳感器的應(yīng)用它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型(2)電容式傳感器的測量電路分辨力：0.5電容式傳感器的應(yīng)用特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器6、各種電容式壓力變送器外形2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型5電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的等效和測量電路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），也可測量慣性力或重力加速度。安裝諧振點(diǎn):8kHz2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型3、濕敏電容傳感器§5.5電容式傳感器的應(yīng)用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型3、濕敏電容傳感器的安裝使用§5.5電容式傳感器的應(yīng)用

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時(shí)帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（x處）。4、電容式油量表

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器2、有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數(shù)為1.特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器5電容式傳感器的應(yīng)用r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；微加工三軸加速度傳感器5電容式傳感器的應(yīng)用分辨力：0.3、減小寄生電容的影響假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=等效電容Ce=C0+Cp，6、電容式壓差變送器兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:油量表可用于飛機(jī)油箱4、電容式油量表

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用齊平式非齊平式5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用電容接近開關(guān)的規(guī)格5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響5、電容式接近開關(guān)

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用高壓側(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6、電容式壓差變送器

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用1—高壓側(cè)進(jìn)氣口2—低壓側(cè)進(jìn)氣口3—過濾片4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片6—導(dǎo)壓硅油7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極9—彈性平膜片10—腔6、電容式壓差變送器

§5.5電容式傳感器的應(yīng)用6、各種電容式壓力變送器外形§5.5電容式傳感器的應(yīng)用b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺a)測振幅被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器7、電容式位移傳感器應(yīng)用§5.5電容式傳感器的應(yīng)用1、為