第05章电容式传感器ppt课件

1、江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制第五章第五章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容式传感器的结构类型极距、面积、介质）电容式传感器的结构类型极距、面积、介质） 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点 电容式传感器的应用电容式传感器的应用本章内容：本章内容：测量技术基础测量技术基础江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制变换原理：将被测非电量的变化转化为电容量变化变换原理：将被测非电量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AArC0

2、+ A 、A或或发生变化时，都会发生变化时，都会引起电容的变化。引起电容的变化。变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型传感器类型传感器类型5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型CAddCSr20江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制CCC0011/ CC 02311/CC0(/)0.9mmm01051101.一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械

3、工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制u灵敏度灵敏度s s与极距的平方成反比，极距越小，灵敏与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。一般制。一般0 00.10.11mm1mm左右。左右。u电容量电容量C C与极距与极距呈非线性关系，为了减小非线呈非线性关系，为了减小非线性误差，通常极距变化范围性误差，通常极距变化范围/ /0 00.010.010.10.1。u此类电容传感器仅适于微小位移的测量此类电容传感器仅适于微小位移的测量0.010.01m m数百微米）；非接触测量数百微米）；非接触测量工作特性：工

4、作特性：5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制CC2102412ccc 优点：优点：1、减小非线性误差、减小非线性误差2、提高传感器灵敏度、提高传感器灵敏度3、减小寄生电容的影响、减小寄生电容的影响4、减小温度、湿度等环境、减小温度、湿度等环境因素的影响因素的影响实际应用常采用差动式结构。实际应用常采用差动式结构。C2C1d1d200一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式

5、传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制驻极体电容传声器驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。体积小、性能优越、使用方便。 一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永

6、刚制指纹识别指纹识别 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。类电子产品中使用。右图为指纹经过处理后的成右图为指纹经过处理后的成像图：像图：一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属指纹识别所需电容传

7、感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就构成了相应的小皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊近的和沟远的电容器阵列。它们的电容值随着脊近的和沟远的与金属导体之间的距离不同而变化。与金属导体之间的距离不同而变化。指纹识别指纹识别一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制二、变面积型二、变面积型5.2 电容式传感器的结构类型电

8、容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制(a) 极板上覆盖有介质极板上覆盖有介质(b) 介质可移动介质可移动三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制产品产品. .电容式液位传感器液位计电容式液位传感器液位计/ /料位计）料位计）三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制电容式接近开关电容式接近开关三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式

9、传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化随之

10、发生变化. .接近开关的检测物体，并不限于金属接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 1. 1. 温度稳定性好；温度稳定性好； 2. 2. 结构简单、适应性强；结构简单、适应性强； 3. 3. 动态响应好；动态响应好； 4. 4. 可以实现非接触测量、具

11、有平均效应。可以实现非接触测量、具有平均效应。缺点：缺点：1 1、输出阻抗高、负载能力差；、输出阻抗高、负载能力差；2 2、寄生电容影响大；、寄生电容影响大； 3 3、输出特性非线性。、输出特性非线性。优点优点: :5.3 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等测试中。等测试中。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制1、电容式液位计、电容式液位计 棒状电极金属管外面

12、棒状电极金属管外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变电极与导电液体之间的电容变化。化。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制2、硅微加工加速度传感器、硅微加工加速度传感器加速度传感器以微细加加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交工技术为基础，既能测量交变加速度振动），也可测变加速度振动），也可测量惯性力或重力加速度。其量惯性力或重力加速度。其工作电压为工作电压为2.75.25V，加速，加速度测量

13、范围为数个度测量范围为数个g，可输出，可输出与加速度成正比的电压也可与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。脉冲。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制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 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测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，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，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，托住于是就启动

14、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。驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。传感器的介质，在其

15、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大为增加水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 3、湿敏电容、湿敏电容5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制3、湿敏电容模块及传感器、湿敏电容模块及传感器5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制在野

16、外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型3、湿敏电容传感器的安装使用、湿敏电容传感器的安装使用5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制齿轮转动时，电容齿轮转动时，电容量发生周期性变化，量发生周期性变化，通过测量电路转换通过测量电路转换为脉冲信号，则频为脉冲信号，则频率计显示的频率代率计显示的频率代表转速大小。设齿表转速大小。设齿数为数为z,z,频率为频率为f,f,则则转速为转速为: :4、转速传感器、转速传感器5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚

17、制胥永刚制被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体例如饲料、人体等）；可绝缘体、含水的物体例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。来改变动作距离。 5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制齐平式齐平式非齐平式非齐平式5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制 电容式接近开关电容式接近开关在液位物位测量控在液位物位测量控制中的使用制中的使用5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院胥永刚制胥永刚制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的