第5章 电容传感器

1、第5章 电容传感器1 2022-4-112一、教学目标一、教学目标 知识目标知识目标（1 1）了解电容式传感器的分类及特点。了解电容式传感器的分类及特点。 （2 2）掌握电容式传感器的工作原理及测量转换电路。）掌握电容式传感器的工作原理及测量转换电路。（3 3）熟悉电容式传感器在工程上的应用。）熟悉电容式传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点：、重点：电容式传感器的工作原理和应用。电容式传感器的工作原理和应用。2 2、难点：、难点：电容式传感器的测量电路。电容式传感器的测量电路。三、教学学时三、教学学时 4 4学时学时如何检测饮料的液位高度？5.1 电容式传感器

2、的工作原理2022-4-1140 rAACdd 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为 A:极板正对面积极板正对面积 d:两极板间的距离两极板间的距离:两极板间介质的介电常数两极板间介质的介电常数 r ：相对介电常数相对介电常数0 ：真空介电常数：真空介电常数dA 改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量量，均可使平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。类型的电容传感器。 2022-4-115变极距变极距(）型）型: (g) 、（、（h）变面积型变

3、面积型(A)型型: (a)、(b)、(c)、(d)、 (e) 、(f)、变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 5.1.15.1.1变面积式电容传感器变面积式电容传感器2022-4-1171 1、工作原理：被测对象通过移动极板引起电容、工作原理：被测对象通过移动极板引起电容两极板的正对面积发生变化，从而改变电容。两极板的正对面积发生变化，从而改变电容。2 2、种类、种类（a a）角位移式电容传感器）角位移式电容传感器 （b) b) 平行板直线位移式平行板直线位移式（c) c) 圆柱型位移式圆柱型位移式5.1.1变面积式电容传感器2022-4-118（a a）角位移式电容传感器）角位移式

4、电容传感器 图图5-3 5-3 变面积式电容传感器的原理图变面积式电容传感器的原理图0r0(1)(1)ACCd 00CCCC 两极板间的电容：两极板间的电容： 电容的变化量为：电容的变化量为： 图图a是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2的轴由的轴由被测物体带动而旋转一个角位移被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两度时，两极板的遮盖面积极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随就减小，因而电容量也随之减小。之减小。（b b）直线位移式电容传感器）直线位移式电容传感器*100rx0()(1)ax bxCCda x00 xCCCCa 两极板间的电容：两极板间的电容： 电容的变化量为：电

5、容的变化量为： 图图b b是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1 1可以左右移动，称为动极板。极板可以左右移动，称为动极板。极板2 2固定固定不动，称为定极板。不动，称为定极板。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特性是线性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。测直线位移、角位移、尺寸等参量。 2022-4-11125.1.25.1.2变极距式电容传感器变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，当动极板受被测物体作

6、用引起位移时，改变了两极板之间的距离改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量，从而使电容量发生变化发生变化。 2022-4-1113 实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距d d0 0尽量尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极小些，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。距式电容器的行程较小的缺点。电容的变化量为：电容的变化量为：两极板间的电容：两极板间的电容： 00r00d020200(1)11dCACdCCCdddddd dd若若 /d01，则，则1（ /d0）21，即，即d00(1)dCCdd00dCCCC0d*14变极距式电容传感器的特性曲线变极距式

7、电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些小些还是大些？还是大些？15 a a） 结构示意图结构示意图 b b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1 1定极板定极板 2 2动极板动极板 *16图图5-6 5-6 差动平板式电容传感器原理图差动平板式电容传感器原理图 00d1d2C1C2S*差动的好处差动的好处灵敏度得到一倍的改善灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善线性度得到改善抵消外界的影响抵消外界的影响17*5.1.35.1.3变介电常数式变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在因为各种介质的相对介

8、电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容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。量也就不同。18表表5-1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数*18变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据表根据表5-15-1，分析不同介质对变介电常数，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？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可以用于测量什么非电量？2022-4-1119图图5-7 5-7 变介电常数式电容传感器

9、的原理图变介电常数式电容传感器的原理图5.2 电容式传感器的测量转换电路5.2.1 桥式电路 1.单臂桥式电路（a a）单臂桥式电路）单臂桥式电路图图5-8 5-8 电容式传感器的桥式电路电容式传感器的桥式电路1x23=CCCC平衡条件：平衡条件：212.差动桥式电路 （b）差动桥式电路图 5-8 电容式传感器的桥式电路() ()() ()00o000022222-+=-=-+CCCC UCUCUUCCCCCC差动桥式电路的输出电压差动桥式电路的输出电压U Uo o与电容的变化量与电容的变化量 呈线性关系。呈线性关系。 C225.2.25.2.2调频电路调频电路 调频电路将电容式传感器作为调频

10、电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振回振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容路的一部分，当电容传感器工作时，电容C C0 0 发生变化，发生变化，就使振荡器的频率就使振荡器的频率 f f 产生相应的变化。产生相应的变化。 2022-4-1123 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有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？何区别？式中哪些量是变量？12=fLC图图5-9 5-9 调频电路的原理图调频电路的原理图24当被测信号为零时，当被测信号为零时，调频振荡器的固有频率调频振荡器的固有频率（一般应选在（一般应选在1 MHz1 MHz以下）为以下）为0

11、01c12()=+fL CCC振荡电路的总电容一般包括电容式传感器的振荡电路的总电容一般包括电容式传感器的电容电容 、谐振电路中的固有电容、谐振电路中的固有电容C C1 1和电缆电容和电缆电容C Cc c。 0CC25当被测信号不为零时，当被测信号不为零时， 0，调频振荡，调频振荡器的频率器的频率 C001c12()=+ffL CCCC 调频振荡器输出的高频电压将是一个受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。被测信号调制的调制波。 用调频系统作为电容式传感器的测量转换电路主要有用调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：以下特点：（1 1）灵敏度高，）灵敏度高，抗

12、外来干扰能力强。抗外来干扰能力强。（2 2）特性稳定特性稳定。（3 3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）。（4 4）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和计算机接）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和计算机接口。口。（5 5）受电缆电容、温度变化影响较大，输出电压与被测）受电缆电容、温度变化影响较大，输出电压与被测量的特性曲线是非线性的，需要矫正电路进行矫正，量的特性曲线是非线性的，需要矫正电路进行矫正，电路比较复杂。电路比较复杂。275.2.3 运算放大器电路运算放大器电路由于运算放大器电路的放大倍数很大，输入阻抗很高，由于运算放大器电路的放大倍数很大，

13、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。感器的测量转换电路是比较理想的。图图5-10 5-10 运算放大器电路的原理图运算放大器电路的原理图28由运算放大器电路的工作原理可得由运算放大器电路的工作原理可得oix贩= -CUUCoie贩= -CUdUA29输出电压与极距输出电压与极距d成成线性关系线性关系运算放大电路测量特点运算放大电路测量特点1 1、优点优点：结构简单，灵敏度高，线性误差小。：结构简单，灵敏度高，线性误差小。2 2、缺点缺点：加入：加入“驱动电缆驱动电缆”消除电缆电容的同时会消除电

14、缆电容的同时会导致电路更加复杂。导致电路更加复杂。5.2.4 二极管双二极管双T形电桥电路形电桥电路图图5-11 二极管双二极管双T形电桥电路的原理图形电桥电路的原理图31当R1=R2=R,C1=C2R1=R2=R,C1=C2，流经RL的电流i1和i2大小相等，方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零，RLRL无电压信号输出无电压信号输出；当C1C1和和C2C2变化时变化时，则在一周内流过RL的平均电流不为零，RLRL电压信号输出电压信号输出，输出电压反映电容的变化。若若C C1 1或或C C2 2变化，则在一周期内流过变化，则在一周期内流过R RL L的平均电流不为零，的平均电流不为零，

15、因此，有电压信号输出，输出电压在一个周期内的平因此，有电压信号输出，输出电压在一个周期内的平均值为均值为 33o12()=-UKUf CCLL2L(2)()R RRRKRR当当 为已知时，为已知时，则则 为一常数，为一常数，故上式又可写成故上式又可写成 LR5.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：电容器的容量受三个因素影响，即：极距极距x x、相对面积、相对面积A A 和极间介电常数和极间介电常数 。固。固定其中两个变定其中两个变 量，电容量量，电容量C C 就是另一个变就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转量的一元函数。只要想办法将被测非电量

16、转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可换成极距或者面积、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以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。电测的目的。 2022-4-11355.3.1 电容测厚仪电容测厚仪图图5-12 电容测厚仪的工作原理电容测厚仪的工作原理1被测金属带材；被测金属带材； 2定极板；定极板； 3导向轮；导向轮； 4轧辊轧辊36在被测金属带材的上下两侧各放置一块在被测金属带材的上下两侧各放置一块面面积相等、与带材距离相等积相等、与带材距离相等的极板，这样，的极板，这样，极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板用导线

17、连接起来就成为一个极板，而极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电金属带材就是电容的另一个极板，其总电容容CX=C1+C2=2CCX=C1+C2=2C。如果。如果带材厚度发生变化，带材厚度发生变化，则引起电容量的变化则引起电容量的变化，用交流电桥将电容，用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显示的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材厚度的变化。使用上、下仪表显示出带材厚度的变化。使用上、下两个极板，是为了两个极板，是为了克服带材在传输过程中克服带材在传输过程中的上下波动带来的误差。的上下波动带来的误差。2022-4-11375.3.2 电容

18、式压力传感器电容式压力传感器图图5-13 差动电容式压力传感器的结构图差动电容式压力传感器的结构图38电容式差压变送器 2022-4-1139高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部不锈钢内部不锈钢膜片的位置膜片的位置5.3.3 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 （a） （b） 图图5-14 电容式加速度传感器的结构示意图电容式加速度传感器的结构示意图40硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性速度（振动），也可测量惯性力或

19、重力加速度。其工作电压力或重力加速度。其工作电压为为2.72.75.25V5.25V，加速度测量范，加速度测量范围为数个围为数个g g，可输出与加速度，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的正比于加速度的PWM 脉冲。脉冲。 PWM:PWM:脉冲宽度调制脉冲宽度调制2022-4-1141硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测加速度测试单元试单元 2 2信号处理信号处理电路电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶底层多晶硅（下电极）硅（下电极） 5 5多晶硅悬多晶硅悬臂梁臂梁 6 6顶层多晶顶层多晶硅（上电极）硅（上电极）2022-

20、4-1142 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结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，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。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。当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装

21、在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电压。它的激励源也做在同一壳体内，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，所以频率响应可达达1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 10g 以上。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，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。就可以测量三维方向的振动或加速度。2022-4-1

22、143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。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，当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判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囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。头部。 2022-4-11装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊44汽车气囊对驾驶员的保护作用2022-4-11455.3.4 油箱油量检测系统油箱油量检测系统机械

23、式油量表：机械式油量表：2022-4-11 在油箱内，装有类似卫在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油位器，由电流表指示出油量。量。46电容式油量表2022-4-1147该油量表属于开环系统还是闭环系统？该油量表属于开环系统还是闭环系统？47 当油箱中注满油时，液位上升，指针停当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为留在转角为 m m处。当油箱中的油位降低时，处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量电容传感器的电容量CxCx减小，电桥失去平减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动（示值减小），同时带动RPRP的滑动臂移动。的滑动臂移动。当当RPRP阻值达到一定值时，电桥又达到新的阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（新的位置（ x x 处）。处）。饮料包装中的液位检测5.3.5