传感器与检测技术：第四章电容传感器

1、2021年2月12日星期五,第四章 电容传感器,1,2021年2月12日星期五,2021年2月12日星期五,知识目标： （1）了解电容式传感器的分类及特点。 （2）掌握电容式传感器的工作原理及测量转换电路。 （3）熟悉电容式传感器在工程上的应用,教学目标,技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的电阻式传感器。 （2）能够正确使用电容式传感器进行位移测量。 （3）能够正确维护常用电子检测设备,2021年2月12日星期五,情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识,教学重难点,教学重点： 电容式传感器的工作原理和应用,教

2、学难点： 电容式传感器的测量电路,2021年2月12日星期五,电容传感器的基本理想公式为,A:极板正对面积 d:两极板间的距离 :两极板间介质的介电常数 r：相对介电常数 0：真空介电常数,2021年2月12日星期五,改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器,变极距(）型: (g) 、（h） 变面积型(A)型: (a)、(b)、(c)、(d)、 (e) 、(f)、 变介电常数( )型: （i）(l,2021年2月12日星期五,a）角位移式电容传感器 图4-3 变面积式电容传感器的原理图,图a是一个角位移式的结构。极

3、板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小,两极板间的电容,电容的变化量为,2021年2月12日星期五,b）直线位移式电容传感器,图b是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板,两极板间的电容,电容的变化量为,2021年2月12日星期五,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。 请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线,变面积式电容传感器的特性,2021年2月12日星期五,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电

4、容量发生变化,实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点,电容的变化量为,2021年2月12日星期五,变极距式电容传感器的特性曲线,a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1定极板 2动极板,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些,2021年2月12日星期五,图4-5 两极板间采用云母片作为介质的电容,2021年2月12日星期五,图4-6 差动平板式电容传感器原理图,2021年2月12日星期五,差动的好处,灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 抵消外界的影响,2021年2月12日星期五,因为各种介质的相对介电常数不同，

5、所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同,表4-1 几种介质的相对介电常数,2021年2月12日星期五,变介电常数式电容传感器的用途,根据表4-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量,图4-7 变介电常数式电容传感器的原理图,2021年2月12日星期五,1.单臂桥式电路,a）单臂桥式电路 图4-8 电容式传感器的桥式电路,平衡条件,2021年2月12日星期五,2.差动桥式电路,b）差动桥式电路 图4-8 电容式传感器的桥式电路,差动桥式电路的输出电压Uo与电容的变化量 呈线性关系,202

6、1年2月12日星期五,调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容C0 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化,电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量,2021年2月12日星期五,图4-9 调频电路的原理图,20,2021年2月12日星期五,当被测信号为零时，调频振荡器的固有频率（一般应选在1 MHz以下）为,振荡电路的总电容一般包括电容式传感器的电容 、谐振电路中的固有电容C1和电缆电容Cc,当被测信号不为零时， 0，调频振荡器的频率,调频振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波,2021年2月12日星期五,用调

7、频系统作为电容式传感器的测量转换电路主要有以下特点,1）抗外来干扰能力强。 （2）特性稳定。 （3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）。 （4）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和 计算机接口,2021年2月12日星期五,由于运算放大器电路的放大倍数很大，输入阻抗很高，输出电阻小，因而采用运算放大器电路作为电容式传感器的测量转换电路是比较理想的,图4-10 运算放大器电路的原理图,2021年2月12日星期五,由运算放大器电路的工作原理可得,2021年2月12日星期五,图4-11 二极管双T形电桥电路的原理图,2021年2月12日星期五,若C1或C2变化，则在一周期内流过RL的平均电流不为零，

8、因此，有电压信号输出，输出电压在一个周期内的平均值为,当 为已知时，则 为一常数，故上式又可写成,2021年2月12日星期五,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的,2021年2月12日星期五,图4-12 电容测厚仪的工作原理 1扎轮； 2定极板； 3被测金属带材； 4导向轮,2021年2月12日星期五,在被测金属带材3的上下两侧各放置一块面积相等、与带材距离相等的定极板2，这样定极板2与被测金属带

9、材3之间就形成了两个电容C1和C2。把两块极板用导线连接起来就相当于C1与C2并联，总电容为C1+C2。如果被测金属带材3的厚度发生变化，则引起电容量的变化，用测量转换电路将电容的变化检测出来，经过放大即可由电表显示测量结果,2021年2月12日星期五,图4-13 差动电容式压力传感器的结构图,30,2021年2月12日星期五,a） （b） 图4-14 电容式加速度传感器的结构示意图,2021年2月12日星期五,硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25 V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速

10、度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲,2021年2月12日星期五,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极,2021年2月12日星期五,利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也

11、做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1 kHz以上，允许加速度范围可达10 g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度,2021年2月12日星期五,加速度传感器在汽车中的应用,装有传感器的假人,气囊,35,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部,2021年2月12日星期五,汽车气囊对驾驶员的保护作用,2021年2月12日星期五,机械式油

12、量表,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量,2021年2月12日星期五,电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处,该油量表属于开环系统还是闭环系统,2021年2月12日星期五,图4-17 圆柱形电容式接近开关的结构示意图 1检测电极； 2充填树脂； 3测量转换电路； 4塑料外壳；5灵敏度调节电位器； 6工作指示灯； 7信号电缆,39,2021年2月12日星期五,2.电容式接近开关的工作原理,当被测物体接近检测电极时，被测物体会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越接近检测电极，检测电极上的电荷就越多。由于检测电极的静电电容CQU，所以电荷的增多，使电容C随之增大，从而使高频振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡,2021年2月12