传感器与检测技术第二版胡向东著第五章电容式传感器

第5章电容式传感器5.1工作原理5.2测量电路5.3典型应用下页返回5.1电容式传感器的工作原理

电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。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，如果不考虑其边缘效应，其电容为

下页上页返回式中ε--两个极板间介质的介电常数；

εr

--介质的相对介电常数；

ε0

--真空介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）；

A--两个极板相对有效面积；

d--两个极板间的距离

下页上页返回由上式可知，改变电容C的方法有三种：改变介质的介电常数ε；改变形成电容的有效面积S；改变两个极板间的距离d。输出均为电容增量ΔC，故构成电容式传感器。形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。5.1.1变面积型电容式传感器电容改变量与位移成线性关系下页上页返回电容改变量与角位移呈线性关系

下页上页返回5.1.2变极距型电容式传感器<<1,按泰勒级数展开简化近似直线关系下页上页返回一般极板间距在25～200um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微位移测量。击穿问题下页上页返回差动结构下页上页返回5.1.3变介质型电容式传感器下页上页返回平板结构串联并联非线性线性下页上页返回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1≈12.262.75.54.5～8.46～8.514～110电容增量与被测液位的高度成线性关系

圆筒结构下页上页返回5.2电容式传感器的测量电路5.2.1调频电路当被测量改变下页上页返回5.2.2运算放大器对平板电容器：输出电压与输入位移间存在线性关系→下页上页返回5.2.3变压器式交流电桥下页上页返回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T型交流电桥下页上页返回5.2.5脉冲宽度调制电路下页上页返回变极距型：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电容传感器，且为线性特性。下页上页返回5.3.1电容式压力传感器这就实现了差压－电容的转换。如果采用脉冲宽度调制测量电路，容易得到电路输出电压与差压成线性关系。特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快（100ms），能测量微小差

压（0-0.75Pa）。5.3电容式传感器的应用下页上页返回5.3.2电容式位移传感器下页上页返回特点：频率响应快、量程范围大5.3.3电容式加速度传感器位移下页上页返回

电容式荷重传感器F绝缘材料动极板定极板极板支架弹性体上页返回下页上页返回下页电容式液位传感器

非导电介质导电介质传感器极板与被测介质绝缘容器和液体为一个电极；插入金属电极为令一个电极；绝缘套管为中间介质上页返回下页（a）棒式探极（b）同轴探极（c）缆式探极图4-24几类常见的电容式液位传感器上页返回下页电容式限位仪上页返回下页油箱液位检测上页返回下页温度检测

以BaSrTiO3为主的陶瓷电容器，其介电常数在温度超过居里点之后，会随着温度的上升成反比的下降。若将这种电容器与电感组成谐振回路，则其谐振频率会有规律地随温度变化。用频率计测出其频率，经过换算可求得温度。电容式温度传感器上页返回下页上页返回下页电容式压力传感器上页返回下页上页返回下页电容式接近开关在物位测量控制中的应用上页返回下页指纹识别

(a)笔记本指纹识别(b)指纹识别手机(c)汽车防盗指纹识别

电容式指纹识别传感器上页返回下页（1）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。

上页返回下页（2）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；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。上页返回下页电容式传声器（Microphone）

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距离发生变化，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。上页返回下页上页返回下页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（多数为聚四氟乙丙烯），表面带有极化电荷，电量为Q，板极间电容量为C，则产生电压U=Q/C，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改变，即电容C改变，而电量Q不变，就会引起电压的变化，电压变化的大小，反映了外界声压的强弱，电压变化频率反映了外界声音的频率。