第5章 电容式传感器

1、第5章 电容式传感器capacitive sensors电容式传感器主要内容5.1 电容式传感器的工作原理和结构形式5.2 电容式传感器的测量转换电路5.3电容式传感器的应用5.4 应用举例（压力、液位和流量的测量）5.1 电容式传感器的工作原理和结构类型一、工作原理0rSSCr0各种电容传感器电容式接近开关电容式接近开关电容式压电容式压力变送器力变送器电容式差压传感器电容式差压传感器硅微压力硅微压力电容式传感器电容式传感器5.1.1 变面积型式电容传感器1 平板形变面积式000dbaC 变面积电容传感器，电容变面积电容传感器，电容CxCx与直线位移成正比。与直线位移成正比。 变面积式电容传感

2、器灵敏度变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；为常数； 输出特性为线性关系；输出特性为线性关系； 适合大位移测量。适合大位移测量。)1 ()(00axCdxabCxaxCC00dbdxdCkxx2 同心圆筒形变面积式)/ln(2)1 ()/ln()(2000rRdxdCKhxCrRxhbCxxx2 角位移变面积式dAddCKCdACx0000)1 ()1 (5.1.2变极距形电容传感器5.1.2变极距式电容式传感器变极距式电容式传感器00000CxdxdAxdACCCx20)(xdAdxdCkxx电容电容CxCx与位移与位移x x不是线性关系，不是线性关系，其灵敏度其灵敏度KxKx不为常数不为常

3、数20)(xdAdxdCkxx121202100SC 010210001)1 (CSCCC10002)1 (CSCCC5.1.3 差动电容传感器差动电容传感器时，当1/0灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍.)(2300021CCCC02CC0012/CCk%100)(20l差动式电容传感器特性曲线差动式电容传感器特性曲线5.1.4 变介质形电容传感器电容与介质参数之间关系为电容与介质参数之间关系为测介质及厚度测介质及厚度 改变介质（改变介质（） ，可作为介电常数的测试仪器。，可作为介电常数的测试仪器。 介电常数保持不变（介质不变），介电常数保持不变（介质不变），S S 和和d 一定，改变一定，改变介

4、质厚度介质厚度 ，可作为测厚仪器；，可作为测厚仪器；rdACCC0021111电容式液位计电容式液位计( (可以理解为变面积或变介电原理可以理解为变面积或变介电原理) )/ln() 1(2) 1()/ln(2)/ln(2)/ln()(210110110rRdhdCKhhrRrRhrRhhCCCrhrh溶液空气5.2 电容传感器的测量转换电路桥式电路桥式电路双双T电桥电路电桥电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路FM调频电路等调频电路等一、桥式电路一、桥式电路桥平衡时桥平衡时00213UCCCCx差动电桥空载时输出电压差动电桥空载时输出电压22021210iixxxxUCCUCCCCU交流电桥的电

5、路形式二.双T型电路n Ui是频率为是频率为f的高频激励电源的高频激励电源(约约1MHz)，它提供了，它提供了幅值对称的方波。幅值对称的方波。D1、D2为特性完全相同的两只二极为特性完全相同的两只二极管管,固定电阻固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电为传感器的两个差动电容，初始值容，初始值C1=C2 。n 在在Ui为正半周时，为正半周时，D1导通、导通、D2截止，于是电容截止，于是电容C1快快速充电到速充电到Ui的幅值，有电流的幅值，有电流i1流过流过RL。n 在随后的负半周期间，在随后的负半周期间，D1截止、截止、D2导通，于是电导通，于是电容容C2快速充电到快速充电到Ui

6、的幅值的幅值,而电容而电容C1放电。有电流放电。有电流i2逆逆向流过向流过RL。MRRRRRRCCfURRRRRRRdttitiTRIULLLILLLLTLRL22122100)()2()()()2(.| )()(|1)(210CCfMUUI负载电阻上的输出电压与电容的差值成正比，并与电负载电阻上的输出电压与电容的差值成正比，并与电源电压幅值和电源频率有关。源电压幅值和电源频率有关。双双T T形电桥电路特点形电桥电路特点电路较为简单；电路较为简单；差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的接地点，不易受干扰；接地点，不易受干扰；VDVD1 1和和VDVD2

7、 2工作在伏安特性的线性段，死区电工作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；压影响较小；输出信号为幅值较高的直流电压。输出信号为幅值较高的直流电压。三、调频（三、调频（FM）电路）电路调频电路将电容传感器作为调频电路将电容传感器作为LCLC振荡器谐振回路振荡器谐振回路的一部分。当电容的一部分。当电容CxCx发生变化，就使振荡器的发生变化，就使振荡器的频率频率f f产生相应变化，实现了产生相应变化，实现了C/fC/f的变换。的变换。CLf021 四四.差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路比较器比较器双稳态双稳态触发器触发器充放电充放电回路回路传感器传感器差动电差动电容容直流参直流参考电压考电压在双稳

8、态触发器的两输出端各自产生一个宽度受在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形调制的脉冲波形12121121212110UttttUtttUtttUUUBA脉冲调制脉冲调制电路的输出波形电路的输出波形a）C1=C2时的波形时的波形 b）C1C2时的波形时的波形当双稳态触发器的当双稳态触发器的QQ端输出为高电平时，端输出为高电平时，A A点通过点通过R R1 1对对C C1 1充电，充电，C C点电位点电位逐渐升高。在逐渐升高。在QQ端为高电平期间，非端为低电平，电容端为高电平期间，非端为低电平，电容C C2 2通过低内阻的二通过低内阻的二极管极管D2D2迅速放电，迅速放

9、电，DD点电位被钳制在低电平。点电位被钳制在低电平。当当C C点电位升高超过参考电压点电位升高超过参考电压U Uf f时，比较器时，比较器A1A1产生一个产生一个“置零脉冲置零脉冲”，触，触发双稳态触发器翻转，发双稳态触发器翻转，A A点跳变为低电位，点跳变为低电位，B B点跳变为高电位。此时点跳变为高电位。此时C C1 1经经二极管二极管D1D1迅速放电，迅速放电，C C点被钳制在低电平，而同时点被钳制在低电平，而同时B B点高电位经点高电位经R R2 2向向C C2 2充电。充电。当当d d点电位超过点电位超过U Uf f时，比较器时，比较器A2A2产生一个产生一个“置置1 1脉冲脉冲”，

10、使触发器再次翻，使触发器再次翻转，转，A A点恢复为高电位，点恢复为高电位，B B点恢复为低电位。点恢复为低电位。如此周而复始，如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C C1 1、C C2 2调制的脉冲波形。调制的脉冲波形。在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C C1 1、C C2 2调制的脉冲波形。调制的脉冲波形。当当C C1=1=C C2 2时，时，ABAB两点之间的平均电压为零；两点之间的平均电压为零；当当C C11C C2 2时，时，t t11t t2 2，经低通滤波器后，获得的

11、输出，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值电压平均值U Uo o为正值为正值当当C C11C C2 2时，时，t t11t t2, 2, 获得的输出电压平均值获得的输出电压平均值U Uo o为负为负值值脉冲调制脉冲调制电路的电路的 特点特点n输出的脉冲宽度与差动电容传感器的变化量呈线性关系；n双稳态输出信号为100KHz1MHz的矩形波；响应快；采用直流电源激励，电压稳定度高。5.3 电容传感器的应用测量直线位移角位移振动压力液位转轴回转精度轴心动态偏摆对非金属进行测量涂层油膜厚度电介质的湿度、容量、厚度检测塑料、木材、纸张、液体等电介质参数一、硅微电容加速度传感器一、硅微电容加速度传感器在硅

12、衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。当硅微电容加速度测试单元感受到上下振动时，当硅微电容加速度测试单元感受到上下振动时，C1,C1呈差呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号调理电动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号调理电路将路将C的变化量转换成直流输出电压。的变化量转换成直流输出电压。加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而断发生了碰撞，就启动

13、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。膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有多种装有多种碰撞参数测碰撞参数测量传感器的量传感器的假人假人气囊气囊二、湿敏电容传感器二、湿敏电容传感器 利用具有很大利用具有很大吸湿性的绝缘材料吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为808

14、0），所以电容量增大。），所以电容量增大。 三、电容式油量表三、电容式油量表 Cx04C03XRXRx004x0301212fCCRCRfC油量指针表的转角与油量指针表的转角与RP的阻值成正比的阻值成正比RP的阻值又正比于液位高度的阻值又正比于液位高度当油箱中无油时，电容传感器的电容当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx Cx 0 0为最小值。此时应使电桥输出为零。为最小值。此时应使电桥输出为零。当油箱中注入油，液位上升至当油箱中注入油，液位上升至h h处，处，C Cx x= =C Cx x0 0+C Cx x， C Cx x与与h h成正比成正比。此。此时电桥失去平衡，电桥的输出电压时电桥失去

15、平衡，电桥的输出电压U Ubdobdo经放大后驱动伺服电动机，再由减经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动RPRP的滑动臂向的滑动臂向c c点移动，从而点移动，从而使使RPRP的阻值增大，的阻值增大，R Rcdcd = =R R3 3+R+RRPRP也随之增大。当也随之增大。当RPRP阻值达到一定值时，阻值达到一定值时，( (C Cx0 x0+ + C Cx x)/)/C C0 0=(=(R R3 3+ +R RRPRP)/)/R R4 4，电桥又达到新的平衡状态，电桥又达到新的平衡状态，U Ubdobdo再次等于零，再次

16、等于零，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为于是伺服电动机停转，指针停留在转角为 maxmax处。处。当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RPRP的滑动的滑动臂移动臂移动, ,使使RPRP阻值减小。当阻值减小。当RPRP阻值达到某一数值时阻值达到某一数值时, ,电桥又达到新的平衡状电桥又达到新的平衡状态，态，U Uo o=0=0，于是伺服电动机再次停转，于是伺服电动机再次停转, ,指针停留在与该液位相对应的转角指针停留在与该液位相对应的转角 处。处。油量指针表的转角与油量指针表的转角与RP的阻值成正比的阻值成正比四、电容式

17、接近开关电容式接近开关的核心是以电容板作为检测端的电容传感器电容式接近开关的核心是以电容板作为检测端的电容传感器电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成。电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成。当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于C C1 1与与C C2 2很小，很小，RCRC振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关的两个同心圆振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容C C，接到，接到RCRC振荡回振荡回路中，等效电容路中，等效电容C C等于等于C C1

18、 1、C C2 2的串联结果。的串联结果。当当C C增大到设定数值后，增大到设定数值后，RCRC振荡器起振。振荡器起振。振荡器的高频输出振荡器的高频输出电压电压u uo o经二极管检波和低通滤波器，得到正半周的平均值。再经二极管检波和低通滤波器，得到正半周的平均值。再经直流电压放大电路放大后，经直流电压放大电路放大后，U Uo1o1与灵敏度调节电位器与灵敏度调节电位器RPRP设定的设定的基准电压基准电压U UR R进行比较。若进行比较。若U Uo1o1超过基准电压时超过基准电压时, ,比较器翻转比较器翻转, ,输出输出动作信号动作信号( (高电平或低电平高电平或低电平),),从而起到了检测有无

19、物体靠近的从而起到了检测有无物体靠近的目的。目的。电容接近开关的规格电容接近开关的规格不同材料的非金属检测物对电容式接近开不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响关动作距离的影响5.4 压力、液位和流量的测量一、压力传感器分类：一、压力传感器分类：绝对压力传感器绝对压力传感器差压传感器差压传感器表压传感器表压传感器/压力传感器）压力传感器）二、差压力传感器LHPPP)(2121LHPPKCCCC两个电容的变化量与压差成正比，与介电常数两个电容的变化量与压差成正比，与介电常数无关。无关。可用来测量真空或微小绝对压力。可用来测量真空或微小绝对压力。三、利用电容差压变送器测量液体的液位三、利用电容差压变送器测量液体的液位 p1 = p0 + g h1p)()(02102001hhgppppphhg