第4章电容式传感器

1、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第4章章 电容式传感器电容式传感器本章学习要求：本章学习要求：1. 掌握电容式传感器的原理、特点、类型、掌握电容式传感器的原理、特点、类型、 信号调理电路及其工程应用；信号调理电路及其工程应用； 2. 了解容栅传感器的原理、类型及调理电路；了解容栅传感器的原理、类型及调理电路；3. 了解电容集成传感器的原理、类型及电路。了解电容集成传感器的原理、类型及电路。传感器与测试技术传感器与测试技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第4章章 电容式传感器电容式传感器4.1 工作原理及结构类型工作原理及结构类型 4.1.1 工作原理：工作原理：将被测量变化

2、转换为电容量变化，将被测量变化转换为电容量变化， 实质是可变参数的电容器。实质是可变参数的电容器。、A或或发生变化时，都发生变化时，都会引起电容量的变化。会引起电容量的变化。两平行极板构成的电容器，两平行极板构成的电容器，其电容量为：其电容量为：AAC 0r+ A 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院AC 004.1 工作原理及结构类型工作原理及结构类型 +1. 变极距式变极距式（1）极距变化型极距变化型4.1.2 结构类型结构类型uouuo河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院AC 00当两极板相对运动时：当两极板相对运动时：0 由于由于 初始电容量：初始电容量： 00ACCC )()

3、(1 /1/3020000000 CCC非线性误差：非线性误差： %1000 灵敏度：灵敏度：CCAS 02004.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院差动结构：差动结构：)()(1 240200021 CCCC定极板定极板定极板定极板动极板动极板1 2 200022 ACCS 灵敏度：灵敏度：非线性误差：非线性误差：%100)(20 灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍 非线性误差减小非线性误差减小 4.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2. 变面积式变面积式 当动极板有角位移时，当动极板有角位移时，电容变化量：电容变化量：ArC 22r

4、C 22灵敏度：灵敏度：CrS 22常数常数角位移型角位移型4.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院xb xbC 电容变化量：电容变化量： 平面直线位移型：平面直线位移型： bxC bxCS灵敏度：灵敏度：常数常数4.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院圆筒直线位移型：圆筒直线位移型： dDlC/ln2 Dd dDlC/ln2 电容的变化量：电容的变化量：灵敏度：灵敏度： dDlCS/ln2 = 常数常数4.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3. 变介电常数式变介电常数式 AC 4.1.2 结构类型结构

5、类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院00)( xxxxalbbaC xxlbC 0测介质厚度测介质厚度测介质位置测介质位置)/ln()(2)/ln(200dDhdDhCx 测液位测液位测温湿度测温湿度4.1.2 结构类型结构类型 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.2.1 运算放大器电路运算放大器电路 CCuuuCA ox4.2 信号调理电路信号调理电路uuoiixCCx若若Cx是变面积式电容传感器时，则将是变面积式电容传感器时，则将Cx与与C交换位置即可。交换位置即可。 第第4章章 电容式传感器电容式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.2.2 电桥电路电桥电路

6、(差动半桥差动半桥) 电容电容 电桥电桥 调幅波调幅波4.2 信号调理电路信号调理电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院u CCuCC12o122 AC10 AC20 uuo02 变极距式：变极距式： AAC01() AAC02() uAuAAo02 变面积式：变面积式： 电桥开路时输出电压为：电桥开路时输出电压为：uo与与u成正比，故要求成正比，故要求u波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。 4.2.2 电桥电路电桥电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.2.3 调频电路调频电路 振荡器的振荡频率为：振荡器的振荡频率为：fLC12 xcCC

7、CC ()初始状态：初始状态： xCC0 cfL(CCC0012) 工作状态：工作状态： xCCC0 cfffL(CCCC0012) 输出是一个受被测信号调制的调频波，便于与计算机通讯，输出是一个受被测信号调制的调频波，便于与计算机通讯，抗干扰能力强，可以实现遥测遥控。抗干扰能力强，可以实现遥测遥控。 4.2 信号调理电路信号调理电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.2.4 双双T形电路形电路 （1）当）当 u=U 时，时，VD1导导通，通，VD2截止，截止，C1充电，充电，C2放电。流经放电。流经RL的电流为：的电流为： iiiL12 u为对称方波的高频为对称方波的高频电源电压，

8、电源电压，VD1、VD2特性特性一致，一致，R1、R2阻值相等，阻值相等，RL为负载电阻。为负载电阻。4.2 信号调理电路信号调理电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院R RRUiiRUR CCfCCCRRLoLLLL12122L(2)()()() RL两端的平均电压为：两端的平均电压为： （2）当）当u=-U时，时，VD1截截止，止，VD2导通，导通，C1放电，放电，C2充电。流经充电。流经RL的电流为：的电流为： iiiL12 该电路具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、过载能该电路具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、过载能力强、能在恶劣环境力强、能在恶劣环境(如高、低温及强辐射如高

9、、低温及强辐射)中正常工作等优中正常工作等优点。但要求点。但要求u必须是稳幅稳频和高幅高频的对称方波。必须是稳幅稳频和高幅高频的对称方波。 4.2.4 双双T形电路形电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.2.5 脉冲调宽电路脉冲调宽电路 双稳态触发器采用负电平输入，输出由电压比较器控制。双稳态触发器采用负电平输入，输出由电压比较器控制。若若A1输出为负电平时，则输出为负电平时，则Q端为低电平；若端为低电平；若A2输出为负电平，输出为负电平，则则Q端为高电平。端为高电平。 4.2 信号调理电路信号调理电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 设接通电源后设接通电源后UA=U，U

10、B=0，UA通过通过R1对对C1充电，充电，C2通过通过VD2放电。当放电。当UcUr时时A1翻转翻转，双稳态稳态触发器也跟着翻转，双稳态稳态触发器也跟着翻转，UA=0，UB=U，UB通过通过R2对对C2充电，充电，C1通过通过VD1放电。当放电。当UDUr时时A2翻转翻转，双稳态稳态触发器再一次翻转，周而复始重复上述双稳态稳态触发器再一次翻转，周而复始重复上述过程，在过程，在A、B点分别输出宽度受点分别输出宽度受 C1、C2调制的矩形脉冲。调制的矩形脉冲。 4.2.5 脉冲调宽电路脉冲调宽电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 （1）初始状态）初始状态C1=C2=C0、R1=R2=R

11、、 ，UA和UB脉冲宽度相等，即脉冲宽度相等，即UAB为对称为对称方波，所以低通滤波器输出方波，所以低通滤波器输出的平均电压的平均电压Uo=0。 各点波形如右图所示。各点波形如右图所示。 12UAUABUCUDT2tT1UrUrUBtttt4.2.5 脉冲调宽电路脉冲调宽电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 （2）当）当C1C2时，时， ， ，则则 ，各点波形各点波形如右图所示。如右图所示。 UA和和UB脉冲宽度不相脉冲宽度不相等，低通滤波器输出电压为：等，低通滤波器输出电压为：CCC10 CCC20 12TTCCUUUTTCC1212o1212UTRCUUiirln C1C2充电至

12、充电至Ur时所需时间。时所需时间。 4.2.5 脉冲调宽电路脉冲调宽电路 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用4.3.1 电容式压差传感器电容式压差传感器 当当p1=p2时，膜片处于中间时，膜片处于中间位置，位置，C1=C2，经双，经双T形电路输形电路输出电压为零。出电压为零。 当当p1p2(或或p10) ，A组的小极片组的小极片2、3、4和和B组的小极片组的小极片5与定栅尺的电与定栅尺的电极片极片P重合，此时重合，此时CACB ，测量转换电路的输出电压，测量转换电路的输出电压Uo0。 CCUUCCCxCCABorABAB 4.4 容栅式传感器容

13、栅式传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2. 调相式调相式 E、R分别为动栅尺上的发射电极和接收电极，发射电极分别为动栅尺上的发射电极和接收电极，发射电极每每8片为一组，分别通以片为一组，分别通以8个幅值为个幅值为Um 、角频率为、角频率为 、相位依相位依次相差次相差 的正弦激励电压；的正弦激励电压；M、S分别为定栅尺上的反射电分别为定栅尺上的反射电极和接地的屏蔽电极。极和接地的屏蔽电极。/ 4 4.4 容栅式传感器容栅式传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 （1）当两个栅尺处于相对位置）当两个栅尺处于相对位置 a 时，每个发射电极片与反时，每个发射电极片与反射电极片完

14、全覆盖，所形成的电容量为射电极片完全覆盖，所形成的电容量为C0 ；4.4 容栅式传感器容栅式传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 （2）当两个栅尺相对移动）当两个栅尺相对移动x 而处于位置而处于位置b时，每个时，每个发射电极片与反射电极片不完全覆盖，其电容量将发生变化。发射电极片与反射电极片不完全覆盖，其电容量将发生变化。设反射电极片电压为设反射电极片电压为uM，接收电极片电压为，接收电极片电压为uR ，反射电极，反射电极片和接收电极片之间的电容量为片和接收电极片之间的电容量为CMR 、接收电极片与地之间、接收电极片与地之间的电容量为的电容量为CRG ，则，则 xl 0()C CU

15、x lutKtCCC CC0MRm0RMRRG0MRRG12/sinarctan()sin()4()12 4.4 容栅式传感器容栅式传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.5 电容式集成传感器电容式集成传感器4.5.1 结构类型与工作原理结构类型与工作原理1. 加速度集成电容传感器加速度集成电容传感器 采用单晶硅表面加工技术和集成电路技术制成。上下两层采用单晶硅表面加工技术和集成电路技术制成。上下两层玻璃表面的金属镀层为固定极板，硅悬臂梁自由端设置一质量玻璃表面的金属镀层为固定极板，硅悬臂梁自由端设置一质量块，上下表面沉积金属电极，形成可动极板，构成差动电容器。块，上下表面沉积金属

16、电极，形成可动极板，构成差动电容器。 第第4章章 电容式传感器电容式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2. 压力集成电容传感器压力集成电容传感器 采用硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合技术以及常规集采用硅腐蚀技术、硅和玻璃的静电键合技术以及常规集成电路工艺技术制成。两个电容极板一个在玻璃上，另一个成电路工艺技术制成。两个电容极板一个在玻璃上，另一个在硅膜片上。当硅膜片受到压力在硅膜片上。当硅膜片受到压力 p 作用时，硅膜片发生变形作用时，硅膜片发生变形使电容器两个极板间的距离发生变化，从而引起电容量变化。使电容器两个极板间的距离发生变化，从而引起电容量变化。4.5 电容式集成传感器电容

17、式集成传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.5.2 信号调理电路信号调理电路1. 加速度集成电容传感器的开关转换电路加速度集成电容传感器的开关转换电路 由由MOS开关、差动电容开关、差动电容C1和和C2、反相器、反相器A组成的采样保持组成的采样保持电路和积分电路。开关电路和积分电路。开关S1和和S2由方波发生器的脉冲控制，分别由方波发生器的脉冲控制，分别将将C1和和C2接参考电压接参考电压Ur或接地，即轮流给或接地，即轮流给C1和和C2充电，充电，C1和和C2的电荷又转移给的电荷又转移给C3。S3为复位开关。为复位开关。 4.5 电容式集成传感器电容式集成传感器 河南科技大学机电

18、学院河南科技大学机电学院2. 压力集成电容传感器的四臂二极管桥路压力集成电容传感器的四臂二极管桥路 （1）在激励电压的前半周期，电荷从点）在激励电压的前半周期，电荷从点B通过通过VD2对对Cx充电，充电，同时也从同时也从A点经过点经过VD3对对C0充电。充电。 （2）在激励电压的后半周期，）在激励电压的后半周期， Cx上的电荷经上的电荷经VD1向向A点放电，点放电，同时同时C0上的电荷也经上的电荷也经VD4向向 B点放电。点放电。 4.5 电容式集成传感器电容式集成传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院uUCCUCCdx0ox02()() 在一个周期内，电荷在一个周期内，电荷QBA从

19、从B点经点经Cx转移到转移到A点，同时电荷点，同时电荷QAB从从A点经点经C0转移到转移到B点。被测压力使点。被测压力使Cx改变一个微小量，则改变一个微小量，则 ，结果使，结果使 ，从而使，从而使A点和点和B点都有静电荷积累，点都有静电荷积累，导致两点的电位一个升高导致两点的电位一个升高 Uo/2、另一个减小、另一个减小Uo/2 ，反过来又减，反过来又减小了静电荷积累，直至达到动平衡，静电荷积累束，小了静电荷积累，直至达到动平衡，静电荷积累束， 。 CCx0 QQBAAB QQBAAB 4.5 电容式集成传感器电容式集成传感器 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院4.5.3 特点及应用特点及应用 体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小等许