第4章 电容式传感器

1、1电容式传感器电容式传感器2主要内容：主要内容：1 传感器的工作原理及类型传感器的工作原理及类型2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性3 电容传感器的特性及等效电路电容传感器的特性及等效电路4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路6 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 本章要点本章要点电容式传感器3电容式传感器概述概述4概述概述电容式传感器5电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器电容式传感器概述概述6电容式传感器的应用举例电容式接近开关在物位

2、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7电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用硅微电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度测量管道液位高度电容式传感器概述概述81 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型 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) )的变化转的变化转换成电容量变化的换成电容量变化的-种传感器。种传感器。 电容式传感器dSC1.1 工作原理工作原理由物理学可知，两个平行金由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容不考虑其边缘效应，其电容为为 式

3、中式中 -两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质的介电常数； s-s- -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d9C 电容量，单位：电容量，单位：F 法拉法拉 真空介电常数，真空介电常数，8.8510-12F/m0 极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数rS 极板的有效面积（极板的有效面积（m2） 两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（m）d1、平板电容器1 电容式传感器的工作原理及类型dSCr0d10变换原理变换原理: :将被测量的将被测量的变化转化为电容量变化变化转化为电容量变化dSC+dS d、S或或发生变化时，都会引起发生

4、变化时，都会引起电容的变化。如果只改变其中一电容的变化。如果只改变其中一个参数，另两个为常数，则可把个参数，另两个为常数，则可把该参数的变化转换为电容量该参数的变化转换为电容量C C的的变化。再通过配套的测量电路，变化。再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。将电容的变化转换为电信号输出。 1.1 工作原理工作原理 1、电容式传感器的工作原理及类型电容传感器：具有可电容传感器：具有可变参数的电容器。变参数的电容器。变极距、变面积、变介电常数变极距、变面积、变介电常数11变极距型传感器变极距型传感器1 电容式传感器的工作原理及类型12变面积型传感器变面积型传感器面积变化型:角位移型,

5、平面线位移型,柱面线位移型.+1 电容式传感器的工作原理及类型13变介电常数型传感器变介电常数型传感器1 电容式传感器的工作原理及类型141 电容式传感器的工作原理及类型n改变极板间覆盖面积的电容式传感器n常用的有角位移型和线位移型两种。+角位移型电容式传感器 类型类型一、变面积型电容传感器一、变面积型电容传感器线角位移型电容式传感器151 电容式传感器的工作原理及类型一、变面积型电容传感器直线位移型电容式传感器直线位移型电容式传感器当被测量的变化引起动极板移动距离当被测量的变化引起动极板移动距离x时，覆盖面积时，覆盖面积S就发就发生变化，电容量生变化，电容量C也随之改变，其值为：也随之改变，

6、其值为：xdbCdxabC0)(axCxdbCCC00dbaC0初初态态161 电容式传感器的工作原理及类型说明：说明：(1)电容电容C的变化的变化C与直线位移与直线位移x呈线性关系；呈线性关系； (2)增大增大k：减小两极板间的距离：减小两极板间的距离d，或增大极板的边长，或增大极板的边长b可提可提高传感器的灵敏度，但高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大制，而增大b则受到传感器体积的限制。则受到传感器体积的限制。(3) 为提高灵敏度可以做成差动形式。为提高灵敏度可以做成差动形式。 dbaCxCkaxCC0017差动结构图差动结构图dbaC0

7、0初态：初态： C1=C2 =C0初态初态：覆盖长度a1=a2=a0，宽为b，极距d1=d2=d，左移左移x ：dxabC)(01dxabC)(02xdbxadbxadbCCC20021xdbC181 电容式传感器的工作原理及类型圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度h变化时，电容量也变化时，电容量也随之变化，其电容为：随之变化，其电容为：)/ln(212rrhC圆柱形线位移型电容式传感器减小平移过程中极距减小平移过程中极距d d的影响，常做成圆柱式的影响，常做成圆柱式191 电容式传感器的工作原理及类型20二、变介电常数型电容传感器v这种传感器大多用于测量电

8、介质的厚度这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图图a)、位移、位移(图图b)、液位、液位(图图c)。v可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图图d)等等1 电容式传感器的工作原理及类型21dblC10dbaC0dbxCdbxdbldxlbdbxC)()()(12012112无插入时：无插入时：变介质电容传感器变介质电容传感器l插入插入x时：时：12测位移测位移21两者厚度两者厚度不一致呢不一致呢？dbxC12221221电容传感器：极板长电容传感器：极板长l、宽为、宽为b、极距为

9、、极距为d测厚度测厚度d0d=d1+d2+d0d1d1d2d2d0d0231221电容传感器：极板长电容传感器：极板长l、宽为、宽为b、极距为、极距为d测厚度测厚度d0d=d1+d2+d0d1d1d2d2d0d02010201211220111220111dddbldddbldddblbldbldbldCdbxlCC1)(l替替换换为为x24电容式液位传感器电容式液位传感器21CCC)(2)()(212120rrlnhrrlnhhxx)()(2)(2120120rrlnhrrlnhxxnhmCxhh012 r22 r1 电容式传感器的工作原理及类型251 电容式传感器的工作原理及类型26三、变

10、极距型电容传感器（定极板+动极板）00dSC)(0 r当时，变极距式电容传感器有近似线性关系。所以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。0dd 1 电容式传感器的工作原理及类型dddCddddSdSddSC000000电容器灵敏度：00dCdCk00ddC271 电容式传感器的工作原理及类型d0过小易引起电容器击穿或短路2000dsdCk减小初始极距d0。增大初始电容量增大C0；提高灵敏度：弊弊端端对同样的变化量d，d0越小，则C的变化量就越大，灵敏度越高，但d/d0也越大，故非线性误差就越大。解决办法：在极板间加入一层高介电常数的材料如：云母、塑料膜等。d=d1+dgd1dg1设：云母

11、层厚度为dg、介电常数为 g未加云母111110ggddSddSC加云母层ggddSC1128结论：结论： 欲提高灵敏度，应减小间隙欲提高灵敏度，应减小间隙d，但受电容器击，但受电容器击 穿电压的限制；穿电压的限制； 加云母层后，可以大大减小极距，因此，此类加云母层后，可以大大减小极距，因此，此类传感器一般用来测量微小位移传感器一般用来测量微小位移0.01微米微米 0.9mm。 非线性随相对位移的增加而增加，为保证一非线性随相对位移的增加而增加，为保证一 定的线性度，应限制动极板的相对位移量。定的线性度，应限制动极板的相对位移量。 d/d=0.020.1 为改善非线性，可以采用差动式。为改善非

12、线性，可以采用差动式。可放置高介电常数材料如云母片可放置高介电常数材料如云母片。why291 电容式传感器的工作原理及类型302 电容传感器的灵敏度及非线性变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质。质。 对单极式电容表达式为：对单极式电容表达式为： 其初始电容值为：其初始电容值为： 当极板距离有一个增量当极板距离有一个增量d 时，则传感器电容为：时，则传感器电容为： 2 电容式传感器的灵敏度及非线性dSC00dSC1001CCddSC31000000011)111(ddddCdddSdSddSC时，当1/0dd.130200

13、001ddddddddCC泰勒展开泰勒展开.1302000011dddddddCdCk灵敏度灵敏度：2 电容式传感器的灵敏度及非线性非线性32v可见灵敏度非常数；可见灵敏度非常数；v为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围通常规定测量范围 d d PL时，膜片时，膜片PL向弯曲，向弯曲，C1C2，；，； PH C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压变化将这种电容变化通过电路转换为电压变化 4.6 电容式传感器的应用举例834.6 电容式传感器的应用举例84二、电容式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器4.6 电容式传

14、感器的应用举例854.6 电容式传感器的应用举例 电容测深度、角度电容测深度、角度 动画演示动画演示三、电容式料位计 用于水泥、化工、罐装用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：等传感器静电容：10CCCdDhdDlCSln)(2ln200864.6 电容式传感器的应用举例四、电容测位移案例案例1.1.振动位移测量振动位移测量 案例案例2.2.旋转轴的偏心量的测量旋转轴的偏心量的测量 874.6 电容式传感器的应用举例电容测厚仪电容测厚仪 电容测厚仪用于测量金电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚属带材在轧制过程中的厚度变化。度变化。 带材是电容的动极板，带材是电容的动极板，总电容总电容C

15、C1 1+C+C2 2作为桥臂。作为桥臂。 带材只是上下波动时带材只是上下波动时C Cx x=C=C1 1+C+C2 2总的电容量不变；总的电容量不变；带材的厚度变化使电容带材的厚度变化使电容C Cx x变化。变化。 884.6 电容式传感器的应用举例智能型电容传感器智能型电容传感器 硅微型电容传感器结构894.6 电容式传感器的应用举例 1 1 加速度测试单元加速度测试单元 2 2 信号处理电路信号处理电路 3 3 衬底衬底 4 4 底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5 5 多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6 顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速

16、度传感器原理 904.6 电容式传感器的应用举例 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在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。由于硅的弹性滞同一壳体内，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，所以频率响应可后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达达1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达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如果在壳体

17、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速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。度。914.6 电容式传感器的应用举例 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，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 924.6 电容式传感器的应用举例 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气经控制系统使气囊迅速

18、充气 。 汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用934.6 电容式传感器的应用举例传感器安装位置传感器安装位置利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时延时起爆的钻地炸弹起爆的钻地炸弹944.6 电容式传感器的应用举例 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传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。当相感器的介质，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，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（水的相对介电常数为80），所

19、以电容量增大。），所以电容量增大。 湿敏电容湿敏电容 954.6 电容式传感器的应用举例吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜湿敏电容外形湿敏电容外形964.6 电容式传感器的应用举例湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形974.6 电容式传感器的应用举例在野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湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用984.6 电容式传感器的应用举例机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装有在油箱内，装有类似卫生间水箱里的类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。由电流表

20、指示出油量。电容式油量表电容式油量表 994.6 电容式传感器的应用举例 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（停转，指针停留在新的位置（

21、x 处）。处）。电容式油量表电容式油量表 1004.6 电容式传感器的应用举例1014.6 电容式传感器的应用举例 该油量表该油量表可用于飞机可用于飞机油箱油箱1024.6 电容式传感器的应用举例投入式液位计投入式液位计用于测量液体的液位 1034.6 电容式传感器的应用举例测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。空气的介电常数空气的介电常数0l，被测物的介电常数为，被测物的介电常数为r。物位变化时，。物位变化时，电容器的电容变化值电容器的电容变化值C与被测材料的物位高度与被测材料的物位高度x成线性关系。成线性关系。1044.6 电容式传感器的应用举例 被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、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）含水的物体（例如饲料、人体等） ；可以是接地的，也；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是不接地的。 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位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来改变动作距离。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。 在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC振荡振荡器）中的电容