43電容式傳感器-(2)知識講解

電子信息與自動化學(xué)院賀曉蓉電氣測試技術(shù)電氣測試技術(shù)1/16/202514.3電容式傳感器電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價格低廉等優(yōu)點。因此，可以用來測量壓力、力、位移、振動、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。1/16/20252各種電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器1/16/20253

1.變間隙型（變極距

型）4.3.2類型靈敏度：間隙變化電容傳感器用于測量位移及一切能轉(zhuǎn)化為位移測量的物理參數(shù)，其特點是非接觸式測量，因而對被測量量影響小，靈敏度高；測量范圍可達(dá)1mm，非線性誤差約為滿量程的1％～3％；測量的頻率范圍為0Hz～105Hz。1/16/20255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)定測量范圍，一般取極距變化范圍為。此時，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。實際應(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）的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。

1/16/20256傳聲器是一種將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器件。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時，膜片極板之間的電容量就發(fā)生變化。與此同時，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1/16/20257傳聲器輸出電壓增量和被測聲壓成正比。1/16/20258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1/16/20259動圈傳聲器主要由振動膜片、音圈、永久磁鐵和升壓變壓器等組成。它的工作原理是當(dāng)人對著話筒講話時，膜片就隨著聲音前后顫動，從而帶動音圈在磁場中作切割磁力線的運動。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)音頻電動勢，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。為了提高傳聲器的輸出感應(yīng)電動勢和阻抗，還需裝置一只升壓變壓器。

動圈傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、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。但缺點是靈敏度較低、頻率范圍窄。近幾年已有專用動圈傳聲器，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)基本上都是動圈式的。1/16/202510無線傳聲器實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，被廣泛運用于電視演播室、電影同期聲、舞臺藝術(shù)擴(kuò)聲、現(xiàn)場直播、現(xiàn)場采訪、電化教學(xué)、展覽講解及其他專業(yè)應(yīng)用場合。

它由一臺微型發(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，調(diào)制后的信號經(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為一個頻道，避免互相干擾。

無線傳聲器與接收機(jī)應(yīng)一一對應(yīng)，配套使用，不得張冠李戴，出現(xiàn)差錯。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1/16/202511角位移型+++2.變面積型（A型）1/16/202512板狀（平面）線位移型1/16/202513柱面（筒狀）線位移型.面積變化型電容傳感器的優(yōu)點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量。1/16/2025143.變介電常數(shù)型（

型）大多用于測量電介質(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量溫度、濕度、容量等。1/16/202515電容式液位傳感器（液位計/料位計）產(chǎn)品1/16/202516測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，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。工作流程方框圖電容式接近開關(guān)產(chǎn)品1/16/202517電容接近開關(guān)，主要用于檢測非金屬物，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，固定時只要在設(shè)備外殼上打一個18毫米的園孔就能輕松固定，長度約70毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測到物體時紅色LED點亮，平時處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長度為100毫米。1/16/202518電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用1/16/202519電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示1/16/202520實際應(yīng)用中為提高傳感器的靈敏度，常采用差動式結(jié)構(gòu)。差動式電容傳感器的中間可移動的電容器極板與兩邊固定的電容器極板形成兩個電容器和，當(dāng)中間極板向一方面移動時，其中一個電容器的電容因極間距增大而減小，而另一個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式電容傳感器不僅可提高靈敏度，也相應(yīng)地改善了測量線性度。4.差動式電容傳感器1/16/202521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。電子線路檢測這一位移量后，即把這一位移量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測量信號。

產(chǎn)品1/16/202522壓力變送器1151系列電容式變送器外形圖被測介質(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)張緊的測量膜片兩側(cè)。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(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，放大轉(zhuǎn)換成電流信號。1/16/202523當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。1/16/202524各種電容式差壓變送器外形

1/16/202525各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

（參考丹東長隆自控有限公司資料）法蘭1/16/202526各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）

1/16/202527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=

gh1/16/202528a)電橋電路4.3.3測量電路1/16/202529舉例：電容式自平衡液位測量儀:圖4-64是電容式自動平衡液位測量儀原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達(dá)式。圖4-64電容式自動平衡液位測量儀原理框圖解：由圖可見，當(dāng)h=0時，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點，即R=0，此時電橋應(yīng)平衡，橋路輸出電壓Uac=0，則電橋阻抗平衡1/16/202530

當(dāng)液位為h時，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速后帶動指針轉(zhuǎn)動，同時帶動電位器的電刷移動，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時聯(lián)立求解上面兩式得：由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：θ=k2R因此其中，k2為比例系數(shù)可見，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。1/16/202531b)諧振電路（調(diào)頻電路）這種測量電路是把電容式傳感器與一個電感元件配合成一個振蕩器諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時，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。1/16/202532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)被測量變化使傳感器電容改變時，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，就可測得被測量的變化。1/16/202533C）差動脈沖調(diào)寬電路C1>C2:A點脈寬>B點脈寬,uAB>0輸出電壓：C1=C2:A點脈寬=B點脈寬,uAB=01/16/202534當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平時，則通過R1對C1充電。直到M點的電位等于參考電壓Ur時，比較器N1產(chǎn)生一個脈沖，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。這時二極管V1導(dǎo)通，C1放電至零，而同時Q端通過R2為C2充電。當(dāng)N點電位等于參考電壓Ur時，比較器N2產(chǎn)生一個脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次。這時Q端高平，C1處于充電狀態(tài)，同時二極管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)器的兩個輸出端產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖方波。1/16/202535當(dāng)C1=C2時，兩個電容充電時間常數(shù)相等，兩個輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。當(dāng)差動電容傳感器處于工作狀態(tài)，即C1≠C2時，兩個電容的充電時間常數(shù)發(fā)生變化，T1正比于C1，而T2正比于C2，這時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，則有可見，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

C1=C2C1≠C21/16/202536d)運算放大器電路

當(dāng)采用比例運算放大器電路時，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，反饋阻抗采用電容傳感器，根據(jù)運算放大器的運算關(guān)系，當(dāng)激勵電壓為時，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量傳感器。所以：1/16/2025374.3.4特點

1.優(yōu)點高靈敏、高精度、高分辨力(0.001

m)，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)；溫度穩(wěn)定性好；動態(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.1/16/2025384.3.5電容式傳感器的應(yīng)用案例1.振動測量

案例2.旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測量

1/16/202539案例3.電容式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。

案例4.電容式測厚儀

測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，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。1/16/202540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量介質(zhì)，無需在容器上開孔。1/16/202541電容傳感器測深度測角度（動畫）1/16/202542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，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器中的像素點為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。1/16/202543應(yīng)用：毫無疑問，便攜式低成本指紋識別技術(shù)對我們的生活意義深遠(yuǎn)。例如，今后警察可在一個犯罪高發(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、二或第三個手指置于一個與無線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)行對比確認(rèn)。這種識別技術(shù)對于被盜的手機(jī)用戶也有好處。手機(jī)開機(jī)時要求用戶通過一個快速的認(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)會刪除存儲器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機(jī)。1/16/202544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。注冊過程十分簡單：每個授權(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器中。當(dāng)駕駛者進(jìn)入汽車時，他