传感器与检测技术第二版胡向东著第五章 电容式传感器

1、第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 工作原理工作原理 5.2 测量电路测量电路 5.3 典型应用典型应用下页下页返回返回5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容式传感器是将被测量电容式传感器是将被测量( (如尺寸、压力等如尺寸、压力等) )的变化的变化转换成电容量变化的转换成电容量变化的-种传感器。种传感器。一、工作原理一、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为如果不考虑其边缘效应，其电容为 下页下页上页上页返回返回式中式中 - - 两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质

2、的介电常数； r r - - 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数； 0 0 - - 真空介电常数（真空介电常数（0 0 =8.85 =8.851010-12-12F/mF/m）；）； A - A - 两个极板相对有效面积；两个极板相对有效面积； d - d - 两个极板间的距离两个极板间的距离dAdACr0下页下页上页上页返回返回 由上式可知，改变电容由上式可知，改变电容C C的方法有三种：的方法有三种： 改变介质的介电常数改变介质的介电常数； 改变形成电容的有效面积改变形成电容的有效面积S S； 改变两个极板间的距离改变两个极板间的距离d d。 输出均为电容增量输出均为电容增量CC，故构

3、成电容式传感器。，故构成电容式传感器。n形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。)/ln(20rRlCrdbxaCCCr/)(0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr0CxCl0CxCa5.1.1 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 电容改变量与位移成线性关系电容改变量与位移成线性关系下页下页上页上页返回返回0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC0CC 电容改变量与角位移呈线性关系电容改变量与角位移呈线性关系 下页下页上页上页返回返回000rACd 5.1.2 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器00000/1

4、ddCddACCCR1,按泰勒级数展开按泰勒级数展开0/dd)()(1 3020000ddddddCCCC00000(1)CddCCCdd简化简化 近似直线关系近似直线关系001/ddCCKddCC00下页下页上页上页返回返回00000ggggC CACddCC 一般极板间距在一般极板间距在25200um范围内，而最大位移应小范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。微位移测量。 l 击穿问题击穿问题下页下页上页上页返回返回l 差动结构差动结构10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC

5、30200021ddddddCC 50300021222ddddddCCCC2460000021CddddCdddd002CdCd002C CKdd下页下页上页上页返回返回5.1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器下页下页上页上页返回返回011212101AC CCCCdd 0001ACdd=10001111CCCCdd0110212AACCCd 0120AACd01101ACCCdl 平板结构平板结构p 串联串联p 并联并联非线性非线性线性线性下页下页上页上页返回返回002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDD

6、ddddd 102(1)lnhCCCDd介质名称介质名称真空空气聚乙烯硅油金刚石氧化铝云母TiO2相对介电常数相对介电常数112.262.75.54.58.468.514110 电容增量与被测液位的高度成线性关系电容增量与被测液位的高度成线性关系 圆筒结构圆筒结构下页下页上页上页返回返回012012()fL CCC0012012()fffL CCCC5.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 5.2.1 调频电路调频电路当被测量改变当被测量改变 下页下页上页上页返回返回00000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC

7、5.2.2 运算放大器运算放大器 对平板电容器：对平板电容器： 输出电压与输入位移间存在线性关系输出电压与输入位移间存在线性关系00id CUUA 下页下页上页上页返回返回002iUdUd22101212ZZZZZ2ZZ2iiiUUUU120122iUCCUCC20ACdd10ACdd-5.2.3 变压器式交流电桥变压器式交流电桥下页下页上页上页返回返回0122(2)()()LLLR RRURE fCCRR在负载和电源确定的情况下，输出电压只与电容的差值有关。在负载和电源确定的情况下，输出电压只与电容的差值有关。该测量电路的优点：电路简单，无需相敏检波和整流电路，便可该测量电路的优点：电路简单

8、，无需相敏检波和整流电路，便可得到较高的直流输出电压。可用于测量高速机械运动。得到较高的直流输出电压。可用于测量高速机械运动。5.2.4 二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥下页下页上页上页返回返回1MAA1(1)ttuueuAA111AMAMlnlnuutRCuuuuA111ArlnuTRCuu120ABDCABAmBm1212()TTuuuuuuTTTT5.2.5 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路下页下页上页上页返回返回 变极距型：变极距型： 变面积型：变面积型： 差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性

9、。电容传感器，且为线性特性。12012)ABDCmCCuuuCC(00mduud 00mAuuA 下页下页上页上页返回返回 5.3.1 电容式压力传感器电容式压力传感器LHHLLHCCKPPKPCC= （）=这就实现了差压电容的转换。这就实现了差压电容的转换。如果采用脉冲宽度调制测量电路，如果采用脉冲宽度调制测量电路，容易得到电路输出电压与差压成容易得到电路输出电压与差压成线性关系。线性关系。特点：结构简单、灵敏度高、响应特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快（速度快（100ms），能测量微小差），能测量微小差压（压（0-0.75Pa）。）。5.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用下页下页上

10、页上页返回返回5.3.2 电容式位移传感器电容式位移传感器下页下页上页上页返回返回20002CdatCdd002CdCd212Sdat 特点：频率响特点：频率响应快、量程范应快、量程范围大围大5.3.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器位移位移下页下页上页上页返回返回 电容式荷重传感器电容式荷重传感器F绝缘材料绝缘材料动极板动极板定极板定极板极板支架极板支架弹性体弹性体上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页电容式液位传感器电容式液位传感器l 非导电介质非导电介质)/ln(2)/ln()(210rRxrRxhCxrRCxhrR)()/ln(2)()/ln(2010010l 导电介质

11、导电介质n 传感器极板与被测介质绝缘传感器极板与被测介质绝缘n 容器和液体为一个电极；容器和液体为一个电极； 插入金属电极为令一个电极；插入金属电极为令一个电极； 绝缘套管为中间介质绝缘套管为中间介质上页上页返回返回下页下页（a）棒式探极）棒式探极 （b）同轴探极）同轴探极 （c）缆式探极）缆式探极图图4-24 几类常见的电容式液位传感器几类常见的电容式液位传感器上页上页返回返回下页下页电容式限位仪电容式限位仪上页上页返回返回下页下页油箱液位检测油箱液位检测上页上页返回返回下页下页温度检测温度检测n 以以BaSrTiOBaSrTiO3 3为主的陶瓷电容为主的陶瓷电容器，其器，其介电常数介电常数

12、在温度超过居里在温度超过居里点之后，会点之后，会随着温度的上升成反随着温度的上升成反比的下降比的下降。若将这种电容器与电。若将这种电容器与电感组成谐振回路，则其谐振频率感组成谐振回路，则其谐振频率会有规律地随温度变化。用频率会有规律地随温度变化。用频率计测出其频率，经过换算可求得计测出其频率，经过换算可求得温度。温度。电容式温度传感器电容式温度传感器上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页电容式压力传感器电容式压力传感器上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页电容式接近开关在物位测量控制中的应用电容式接近开关在物位测量控制中的应用上页上页返回返回下页下页 指纹识别指纹识别 (a

13、)笔记本指纹识别笔记本指纹识别 (b)指纹识别手机指纹识别手机 (c)汽车防盗指纹识别汽车防盗指纹识别 电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器上页上页返回返回下页下页 （1）电容式键盘）电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，以实现信息的转换。化，以实现信息的转换。 上页上页返回返回下页下页（2）指纹识别）指纹识别指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由若干个电容

14、传感器组成。若干个电容传感器组成。当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面电容阵列的各个电容电压不同；电容阵列的各个电容电压不同；通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像，从而达到辨别指纹的目的。图像，从而达到辨别指纹的目的。上页上页返回返回下页下页 电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻

15、质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化距离发生变化，膜，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的变化，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，从而完成了声音信号与电信号的转换。电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页 驻极体传声器有两块金属极板，其中一块表面涂有驻驻极体传声器有两块金属极板，其中一块表面涂有驻极体薄膜极体薄膜（多数为聚四氟乙丙烯）（多数为聚四氟乙丙烯） ，表面带有极化电荷，表面带有极化电荷，电量为电量为Q，板极间，板极间电容量电容量为为C，则产生电压，则产生电压U=Q/C，当受，当受到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离到振动或受到气流地摩擦时，由于振动使两极板间的距离改变，即电容改变，即电容C改变，而电量改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化，不变，就会引起电压的变化，电压变化电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，电压变化频率的