第4章电容式传感器.

1、第4章电容式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第4章电容式传感器主要内彖:41电容传感器工作原理和类型4.2电容传感器输出特性4.3电容传感器测量电路 4.4电容式传感器的应用举例概述传统电容式传感器主要用于位移.振动、角度、 等机械量精密测量。目前电容式传感器逐渐应用于压力、压差、 含量等方面的测量。加速度应用实例（电容测深度、角度）电容式传感器的特点是：电容器容量小（几十几百微法），输出阻抗高;极板静电引力小，工作所需作用力很小；可动质量小，固有频率高，动态响应特性好；功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。KkBMMMMKL概述各种电容式传感器电彖丸揍近开关二a硅微压力 勒家式传

2、威春电家式差压传感器概述电容式传感器典型应用测量管道液住富度4.1电容传感器工作原理和类型电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。电容传感器工作原理可以用平板电容说明:81改变式中极板面积,称变面积型电容传感器S 极板距离,称变极距型电容传感器 介电常数，称变介质型电容传感器$0 真空介电常数5 -相对介电常数 空气介质g I8 r =U 1*04.1电容传感器工作原理和类型变机距型电容传感器变面积型电容传感器第4章电容式传感器传感器原理及应用变介质型电容传感器0 0Q0第4章电容式传感器传感器原理及应用4.2电容传感器输出特性1.变极距型（5 ）S8S初始电容G）,极距减小Ad时，电容

3、量相对变化AC静极板II动极板C = C（）+ AC, AC = C CQ =务-%当分母AS/% 电容传感器的等效电路包括：传感器电容Co ;传输线的电感L。、电阻R （小）；极板等效漏电阻Rg； A B两端分布 电容Cp；常常Cp比Co还大。低频时Xc大，L R可忽略；高频时Xc小，L. R不可忽 略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，这时相 当有一 LC串联电路，有一个谐振频率f。，当彳=坊时串联谐 振阻抗最小，系统无法工作。4.3测量电路解决的方法：屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输;连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽

4、的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有 随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆）,从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。 器负载。内外屏蔽之间的电容是放大驱动电缆技术是一种等电位屏蔽 方法。这一方法可在10m距离不影 响传感器性能，保证电容lpF时也 能正常工作。提高电容传感器稳定 性。4.3测量电路电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流.电压.频率的变化。2. 电桥电路由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统如图 所示，电容传感器GC两个桥臂为差动形式交流电桥的输出电压为:代入:zi =u_ ct-c21jCZ2

5、=4.3测量电路2.电桥电路上静片/动片下曲片极板在中间位置时动片上移时两电容分别变化为G=C2Q=o|S将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系u G G tt -u U a 2 G+G2 5。第4章电容式传感器传感器原理及应用4. 3测量电路2.电桥电路交流电桥的多种形式ooooL5%LooQ+0(f)(g)o +心-(b)oR +o6第4章电容式传感器传感器原理及应用4. 3测量电路3. 二极管双T型电路 Ue高频对称方波电源，DP D2二极管，特性相同； C2传感器差动电容；R、R2为固定电阻，兔负载。 一个周期内Rl上的平值电压为UrlR（R + 2RJ心他）2R2eMCc=

6、MUe/Cc?）9 一个周期内负载Rl上输出电 压Url与电源电压Ue幅值、频率f 有关；与电容的差值(CrC2)成正比。B.Qc舜#c2 艸4. 3测量电路3.二极管双T型电路B.负半周%+豪二介节2丹工作原理分析t0电路接通,Ci充电至Uci二E ;t二负半周，D截止，D2导通C?充电至UC2 =-E,同时G通过兔放电； 负载上电流：IL（放）+【2 （电源）t二久正半周，D1导通，截止C充4, C?放电；负载上电流：IL = 11 （电新+【2 （放） G = C?时IL = 一个周期内平均值Url=MUeTG C2)= 0双T型电路动画电路原理图4.3测量电路4. 差动脉冲调宽电路A电

7、路组成：A人2比较器；FF双稳态触发器；VDn Vd2与电阻组成 充放电回路；Uf以考直流电压；双稳态作输出;电容Cm Cx2 为传感器差动电容。A电路分析：设接通电源时A高、B低, Ri对Qi充电，C点上升到Uf， 比较器A】输出极性改变，触 发器翻转；A低、B高，使 D导通5放电；同时B点经 Cx2充电使入翻转。4.3测量电路4.差动脉冲调宽电路AC=C2, U： %放电时间相同， 输出平均电压U=0;cc2,输出平均电压5工0,若CC2,输出A、B两点的平均值等于Uq Ub之差。双稳态的两个输出端各产生一调 制脉冲，脉冲宽度受C2调制。 输出为两端之差：257产rD 1乙尸人2C22=人

8、2(?-AC?)71波形图4.3测量电路4差动脉冲调宽电路输出电压与两个充放电回路时间常数的差成正比TTT-T T二RC若Ri二R2输出电压与两个传感器电容的差值成正比变面积型，输出与两变极距型，输出与两电容的面积差值成正比电容的极距差值成正比4.3测量电路5. 运算放大器式电路A设K为理想运放，a为虚地；设开环放大器输入阻抗;f艮高Ii = O Ptoc A)=_厶* $传感器电容，C。固定电容，cx =-输入输出两工()Se对于单极板平板电容器传感器,输出电压蚣与机械位移&成线性关系解决了单电容的非线性关系问题。4.3测量电路6. 调频电路调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一 部

9、分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振 荡频率发生变化。 1f =;=由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化 换为电压的变化。谐振曲线4.4电容式传感器的应用举例1. 电容式压力传感器A结构：金属弹性膜片一动片；两个玻璃球面上镀有 金属一定片；膜片左右两侧充满硅油。A工作过程：当两室分别承受低压Pl和高压珀时，硅油 能将压差传递到测量膜片1. as垫圈；2.会陶題片；3玻肇；4多孔金国过浅;3.电锻金底去冋PPH-PLe当Ph二Pl时，膜片处于中间位置，G二C?;当有差压作用时，测量膜片产生形变:Ph Pl时，膜片巳向弯曲，C2J前极电路将这种电容变化通过电路转换, 变为电压

10、或电流的变化4. 4电容式传感器的应用举例1.电容式压力传感器工业生产流程自动控制中膜片式压力计是 常用的一种，电容膜片压力传感器分两种：计示压力计（表压），以大气为基准，测 管道.箱内.罐中压力；绝对压力计，以绝对真空为基准测量蒸发 罐.反应罐中的压力；压差计，测两个压力的差值。选通阀4.4电容式传感器的应用举例2. 电容板材在线测厚仪A电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx二Ct+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。棗用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路斜输出与带材厚度关系为：轧辗带材托鶴c

11、j放大H整形V二二 q带材 G4. 4电容式传感器的应用举例3. 电容传感器测位移(b)轴的回转精度和轴心动态偏摆测量传感器原理及应用4. 4电容式传感器的应用举例4. 电容传声器原理PC机上的麦克风是一个电容传声器.主要由振动膜片.刚 性极板.电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力， 并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的 电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从 而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电 压输出，从而完成了声电转换。4. 4电容式传感器的应用举例4.电容传声器原理计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和 电容传声器相同，它采

12、用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜 片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷， 从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。极板空腔膜片、声波TE驻极体电容传声器4. 4电容式传感器的应用举例5. 力平衡式加速度传感器力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩，然后用反馈力与它 平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于 超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。A在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度 传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向 的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反

13、馈控制信 号。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。输入*0 (S)电虽Y第4章电容式传感器传感器原理及应用4. 4电容式传感器的应用举例5.力平衡式加速度传感器A力平衡式加速度传感器结构M惯性元件、G、C?位移传感器.磁力矩器.定在质量块上0当Fp （反馈力）二玖（惯性力）时 位移y = Oo电容动片固A工作原理：壳体加速度色=3/力2惯性力F = max 力矩器的反馈力几二卩10-力矩器的机电偶合系数放大电路4. 4电容式传感器的应用举例5. 力平衡式加速度传感器A惯性系统是典型的二阶机械系统，固有频率3和阻尼比三 决定于惯性元件的阻尼系数b和弹性系数c，惯性元件的 传递函数为：

14、S2 + co俞阿环节输入放夬妙唱）4.4电容式传感器的应用举例6. 智能型电容传感器硅电容式集成传感器大体 由压力敏感电容器.转换电电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出兼家协仪!兀路和辅助电路三部分组成， 其中压力敏感的电容器是核 心部件，压力敏感的电容器 所传感的电容量信号经转换4.4电容式传感器的应用举例6. 智能型电容传感器A硅微型电容传感器结构硅压力电容传感器的敏感元件是 电容压敏元件，核心部分是敏感电 容器。其袒构是在玻璃基底上镀一层金属铝（AL）膜做电容器的一个极板, 在硅（Si）片上是电容器的另一个硅电容式集成传感器结构极板，硅膜厚几十微米。电容器电容量由两个电容极板面积

15、和间距决定，极板间介质为空气, 当硅膜片受力变形时电容的变化量 C与压力差AP大小有关。4. 4电容式传感器的应用举例6.智能型电容传感器从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一 起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。CxCo实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一 个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同， 分别为受力电容.参考电容，参考电容不受外力 作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在 受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变 化。压差与变形量呈线性关系。扩散硅

16、电容器的灵 敏度是结构型电容传感器灵敏度的10倍。4. 4电容式传感器的应用举例7. 新型电容式指纹传感器由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段， 将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法；另 一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像.晶体传感器取像 和超声波取像。光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好, 器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。晶体指纹传感器分为电容式和压感式，用它获取的图像质量比较好， 可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。晶体 传感器的体积和功耗都比较小，

17、成本也比光学设备低廉。FPS110电容式指纹传感器和采集的指纹图象4. 4电容式传感器的应用举例7. 新型电容式指纹传感器电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel等公司投资几十 亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际聶体指纹传感器市场上占主要份额。例如FPS110电容式指纹传感器表面集合了 300 x 300个电容器，其外 面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电 容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷 （远）相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值来获 取指纹图像。传感器的生产采用标准CMOS工艺，尺寸 大小为15 x

18、15mm2,分辨率为500DPI （ 英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 FPS110提供8位微处理器相连的接口， 内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8 位灰度图像。芯片功耗小于200mW,价格 在600元（人民币）下。选择逻辑300X300电计2 4IA-KNFPS11O功能结构框图压力传感器/变送器压力芯体、压力敏感元件1、表贴封装（测试气压）2、双列直插式封装（测试气压）3、TO-8封装（测试气压）4、不锈钢封装（测试液压和气压）主要应用场合：航天航空军工场合，例如：风洞压力测 试、涡轮机、叶轮机压力测试，钻井压力测试.高温、 低温压力测试凉章要点1. 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？2. 说明变介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和 测量方法。3. 差动式电容传感器测厚系统的工作原理。4 硅电容式集成传感器结构特征与工作原理。5何谓“驱动电缆技术” ？采用的目的是什么？6.差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什 么特点？7电容板材在线测厚系统中，如何通过检测电容大小实现 只对厚度变化响应，并保证板材的上下波动时不影响厚 度测量？司軀鸟思考軀1 已知一平板式电容位移传感器：极板间介质为空气， 极板尺寸a=b=4mm,极板间隙60= 0.5mm。求:传感器静态灵敏度。若极板沿a方向移动=2mm时电容量是多少？2电容式料位计如何通过电