第5章 電容式傳感器

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第5章電容式傳感器5.1電容式傳感器概述5.2電容式傳感器工作原理與類型5.3測量轉(zhuǎn)換電路第5章知識目標(biāo)（1）掌握常見類型電容式傳感器的工作原理；（2）掌握電容式傳感器常用測量轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與工作原理；（3）了解電容式傳感器的典型應(yīng)用案例。3第5章能力目標(biāo)（1）掌握常見類型電容式傳感器的工作特性；（2）能夠根據(jù)實(shí)際工程需要選擇合適類型的電容式傳感器；（3）能夠根據(jù)實(shí)際工程需要選擇合適類型的測量轉(zhuǎn)換電路；（4）對電容式傳感器的工作特性有深入理解，能夠結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行特性分析。455.1電容式傳感器概述電容式傳感器屬于阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器，是一種將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。電容式傳感器的核心構(gòu)成是敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，通常為一體式。

具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)好，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)接觸式測量，也可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。6（a）非接觸式液位測量

（b）MEMS型加速度測量

（c）接近開關(guān)電容式傳感器應(yīng)用案例7測量液位8測量壓力9測量厚度10測量轉(zhuǎn)速11智能終端觸摸屏125.2電容式傳感器工作原理與類型5.2.1電容式傳感器工作原理電容式傳感器的電容量真空介電常數(shù)介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)13

在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般保持三個參量中的兩個不發(fā)生改變，只改變其中一個參量的方法來構(gòu)建電容式傳感器。電容式傳感器三種基本類型：變極距型、變面積型、變介電常數(shù)型145.2.2變極距型電容式傳感器變間隙型電容式傳感器通過拉力、位移等被測量的變化，改變了個電極板的間距，從而改變了電容量。初始狀態(tài)時對應(yīng)的電容量表達(dá)式：初始狀態(tài)的極距15設(shè)在被測量的影響下，電容式傳感器的動極板與定極板之間的間距增大了△d16變極距型電容式傳感器的靈敏度解決措施之一：兩電極極板間可選用介電常數(shù)高的云母等做介質(zhì)云母17變極距型電容傳感器電容量與極距特性關(guān)系曲線圖：18在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了提高電容式傳感器測量靈敏度，一般采用差動式結(jié)構(gòu)：采用差動式結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器靈敏度可以提高1倍，并且能夠降低測量數(shù)據(jù)的非線性誤差。195.2.3變面積型電容式傳感器

變面積型電容式傳感器通過力、位移、角度等被測量的變化，改變兩電極板的有效覆蓋面積，從而改變電容量。（1）平板狀變面積型電容式傳感器產(chǎn)生相對位移量后對應(yīng)的電容量當(dāng)前兩個電極板之間有效的覆蓋面積結(jié)論：變面積型的電容式傳感器的電容相對變化量與位移的變化量成正比關(guān)系。20（2）圓筒狀變面積型電容式傳感器

隨著被測位移等參量的變化，動極板與定極板發(fā)生軸向相對運(yùn)動，兩者之間的有效覆蓋面積發(fā)生改變，從而改變了電容量。圓筒狀變面積型電容式傳感器的初始狀態(tài)電容量的求解需借助高斯定理推導(dǎo)，推導(dǎo)結(jié)果：結(jié)論：圓筒狀變面積型電容式傳感器的電容變化量與軸向位移量成線性關(guān)系。21（3）扇面狀變面積型電容式傳感器扇面狀變面積型電容式傳感器一般用于實(shí)現(xiàn)角度的測量。兩電極板初始狀態(tài)時扇面對應(yīng)的有效覆蓋面積：當(dāng)動極板相對定極板轉(zhuǎn)過一定角度θ，兩電極板有效覆蓋面積發(fā)生了改變，對應(yīng)的面積表達(dá)式：結(jié)論：扇面狀變面積型電容式傳感器的電容變化量與角位移成正比關(guān)系。225.2.4變介電常數(shù)型電容式傳感器

變介電常數(shù)型電容式傳感器是通過拉力、位移等被測量的變化，兩電極板間介質(zhì)層填充的介質(zhì)材料發(fā)生改變，對應(yīng)的介電常數(shù)發(fā)生變化，或者隨著溫度、濕度、材料厚度等被測量的變化，介質(zhì)材料的介電常數(shù)也隨之發(fā)生變化。23（1）平板狀變介電常數(shù)型電容式傳感器電容式傳感器總的電容量：結(jié)論：變介電常數(shù)型電容式傳感器的電容變化量與介質(zhì)材料的位移成正比關(guān)系。24（2）圓筒狀變介電常數(shù)型電容式傳感器在沒有充入液體前，電容器的初始電容量表達(dá)式：當(dāng)充入液體后，對應(yīng)液面高度為h時，此時傳感器相當(dāng)于由兩個不同介質(zhì)填充的電容器的并聯(lián)，總的電容量等于兩部分電容量之和：結(jié)論：圓筒狀變介質(zhì)型電容式傳感器測量液位，電容量與液位高度成正比例關(guān)系。255.3測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路類型非常多，電路工作原理與工作特性差別大。常見的測量轉(zhuǎn)換電路有：交流電橋、諧振電路、運(yùn)算法電路、差動脈寬調(diào)制電路、二極管環(huán)形檢測電路等。265.3.1交流電橋測量電路電容式傳感器的初始電容量是對應(yīng)輸入量為0時的電容值，此時：交流電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓相量當(dāng)被測量發(fā)生變化，電容式傳感器的電容量隨之發(fā)生變化，阻抗Z1發(fā)生變化：交流電橋失去平衡，輸出電壓相量表達(dá)式:結(jié)論：交流電橋測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電壓量的變化。27思考：根據(jù)交流單臂電橋分析推導(dǎo)思路，分析推導(dǎo)直流雙臂電橋的輸出電壓相量函數(shù)式。285.3.2諧振調(diào)頻測量轉(zhuǎn)換電路將電容式傳感器接入高頻振蕩器—LC并聯(lián)諧振電路當(dāng)電容式傳感器的輸入量為0時——初始狀態(tài)，振蕩電路固有振蕩頻率初始狀態(tài)電容量當(dāng)被測量發(fā)生變化時，電容式傳感器的電容量產(chǎn)生了變化量，則振蕩電路的振蕩頻率發(fā)生改變，表達(dá)式為：結(jié)論：諧振調(diào)頻測量轉(zhuǎn)換電路是將電容量的變化轉(zhuǎn)換成頻率量的變化。

295.3.3運(yùn)算法測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器作為集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例運(yùn)算電路的負(fù)反饋元件。結(jié)論：運(yùn)算法測量轉(zhuǎn)換電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓量的變化。305.3.4差動脈寬調(diào)制測量轉(zhuǎn)換電路單限電壓比較器低電平觸發(fā)的RS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電容充、放電回路差動式電容式傳感器31+-+-RS0UMUM>01UNUN<00UAB101UREF差動脈寬調(diào)制測量轉(zhuǎn)換電路工作原理解析32（a）Cx1=Cx2

（b）Cx1>Cx2結(jié)論：差動脈寬調(diào)制測量轉(zhuǎn)換電路將被測量的變化轉(zhuǎn)換為脈沖波形占空比的變化。335.3.5二極管環(huán)形電橋測量轉(zhuǎn)換電路方波脈沖激勵源差動式電容式傳感器當(dāng)脈沖源由低電平“0”跳變?yōu)楦唠娖健?”時，二極管D1、D4正向?qū)?，D2