第五章 电容式传感器

第5章

电容式传感器

概述第5章电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器示例概述第5章电容式传感器各种电容式传感器示例飞机油量检测概述第5章电容式传感器各种电容式传感器示例测量管道液位高度概述第5章电容式传感器

电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。

利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器。它实质上是一个具有可变参数的电容器。概述与电阻式、电感式传感器相比的优点：第5章电容式传感器1.测量范围大：相对变化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。概述与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：第5章电容式传感器1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用：

压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。5.1电容式传感器的工作原理和结构第5章电容式传感器d

ε——极板间介质的介电系数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr

——极板间介质的相对介电常数.

对于空气介质，εr

≈1。A——极板间相互覆盖面积（m2）；d——极板间距离（m）；

第5章电容式传感器电容式传感器变极距型变面积型变介质型等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。

5.1.1变极板间距型电容传感器5.1基本工作原理初始电容

当减小时,即电容C增加

dΔdC0d0dCΔC

变极板间距型电容传感器5.1基本工作原理当时，用泰勒级数展开

电容相对变化

变极板间距型电容传感器5.1基本工作原理忽略高次项即当

(一般取0.02-0.1)时，电容的相对变化量ΔC与极板间距离变化量近似呈线性关系。变极板间距型电容传感器5.1基本工作原理d0越小，灵敏度系数K越高；而d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数材料，如云母，塑料膜等作为介质。

变极板距离电容式传感器在微位移测量中应用最广。变面积型电容传感器5.1基本工作原理

当其中一个极板发生Δx位移后，改变了两极板间的遮盖面积A

，电容量C同样随之变化。5-5直线位移式因此，与位移呈线性关系。变面积型电容传感器5.1基本工作原理θ定片动片5-6角位移式因此，与角位移呈线性关系。

变面积型电容传感器5.1基本工作原理θ定片动片

角位移式变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式，传感器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素（转角θ或直线位移x）呈线性关系。

变面积型电容传感器5.1基本工作原理这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。

初始电容C0为：当内筒上移x时，内外筒间的电容Cx为：D1D0Lx与x成线性关系。变介质型传感器变介质型电容传感器5.1基本工作原理变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。

变介质型电容传感器5.1基本工作原理右图一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,相当于两个电容并联电容增量与被测液位高度成正比线性关系则此时变换器电容值为

5.2电容式传感器的灵敏度及非线性此处只讨论变极距型平板电容式传感器的灵敏度及非线性。电容的相对变化量：忽略高次项当时，用泰勒级数展开

表明单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0成反比关系要提高灵敏度，应减小初始间隙，但非线性误差却增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。

非线性误差差动式电容传感器5.1基本工作原理为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。差动式电容传感器5.1基本工作原理上下两部分的初始电容：上移后：展开：

差动式电容传感器5.1基本工作原理差动式电容传感器的输出为：非线性误差为：略去高阶无穷小：差动式电容传感器5.1基本工作原理结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍非线性误差可以减小一个数量级。

5.3电容式传感器的等效电路Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。电容式传感器的等效电路一、等效电路电容式传感器的等效电路由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。电容式传感器的等效阻抗为：激励电源角频率5.3电容式传感器的测量电路第5章电容式传感器电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。由于作为传感器在功能和结构上的要求，电容式传感器不是理想电容。电容式传感器中除了有电容之外，还存在着串、并联电阻，以及串联电感等。测量电路电容式传感器的电容非常小（pF级的），需要用专门的电路进行转换，成比例地将它变成电压、电流或频率信号供给或远传给后续装置显示、记录及运算等。测量电路(一)调频电路(二)运算放大器式电路(三)二极管双T形交流电桥(四)差动脉宽调制电路5.4.1调频电路

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控。5.4.2运算放大器式电路运算放大器测量电路如果传感器是一只平行板电容，则：上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。

由放大器工作原理可得：克服了变极距型电容式传感器的非线性Vi为高频电源，当V1在正半周时，二极管D1导通，D2截止，C1充电。当Vi在负半周时，电容C1上的电流经R1,RL放电，电源Vi对电容C2充电；在下一个正半周，C2经R2,RL放电，若C1=C2，且二极管D1和D2的特性相同，则在同一个周期内，经过RL的平均电流为零。5.4.3二极管双T形交流电桥

若传感器输入不为0,则C1≠C2,那么I1≠I2,此时RL上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均值为

式中f为电源频率。当RL已知,上式中=M为常数。Uo=U

fM(C1-C2)输出电压与电容C1和C2的差值有关当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx充电的电流i1所示的方向；对Cd充电的电流如i3所示方向。

在充电过程中(T1这段时间)，VD2、VD4一直处于截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为：

q1=Cd(E2-E1)

5.4.4环形二极管电路环形二极管电路当输入的方波由E2跃变到E1时，电容Cx和Cd放电；电压皆由E2放电到E1。对电容Cx放电的电流i2所示的方向；对Cd放电的电流如i4所示方向。

在放电过程中(T2这段时间)，VD1、VD3一直处于截止状态。在T2这段时间内由C点向A点流动的电荷量为：

q2=Cx(E2-E1)

环形二极管电路设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数)，则由C点流向A点的平均电流为I2=Cxf(E2-E1),而从A点流向C点的平均电流为I3=Cdf(E2-E1),流过此支路的瞬时电流的平均值为式中,ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E1。令Cx的初始值为C0，ΔCx为Cx的增量，则Cx=C0+ΔCx,调节Cd=C0则由上式可以看出，I正比于ΔCx。5.4.5脉冲宽度调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。差动脉冲调宽电路R2D1D2ABR1C1C2USCMUrN+--+QQRS双稳态触发器A2A1P(二)差动脉宽调制电路RS触发器真值表RSQ01110000不变11不定C1、C2为差动式传感器A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。如此循环反复，AB将输出方波tuAuBuABUMUNUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUMUNUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt当C1=C2时当C1>C2时差动脉冲调宽电路各点电压波形图(二)差动脉宽调制电路二、测量电路当C1=C2时当C1>C2时UAP、UBP—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。设R1＝R2＝R，则:

(二)差动脉宽调制电路二、测量电路U1—触发器输出的高电位。说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。

(二)差动脉宽调制电路二、测量电路U1—触发器输出的高电位。对于差动式变极距型电容传感器：(二)差动脉宽调制电路二、测量电路U1—触发器输出的高电位。差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。5.5电容式传感器的应用电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。1.电容式差压变送器

高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置1.电容式差压变送器

3.4电容式传感器的应用主要讨论球、平面型差动电容压力传感器。凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PLPH1.电容式差压变送器

当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PH>PL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效电路1.电容式差压变送器

各种电容式

差压变送器外形

1.电容式差压变送器

2.电容式测微仪

非接触式精确测量位移和振动幅度。在最大量程为(100±5)um时，最小检测量可达0.01um。a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器假设采用运算法测量电路，则输出电压和位移成线性关系。3.电容式液位计

电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。3.电容式液位计

3.4电容式传感器的应用右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。

1、2-内、外电极；

3-绝缘套；4-流通孔安装形式4.湿度测量

3.4电容式传感器的应用湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。HM1500湿度传感器当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。5.电容式键盘

3.4电容式传感器的应用常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。利用变极距型电容传感器实现信息转换.6.电容式传声器

3.4电容式传感器的应用驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。7.电容式指纹传感器

3.4电容式传感器的应用目前的指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。(1)半导体压感式传感器

其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。(2)半导体温度感应传感器

它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以