传感器第六课 (2)课件

授课班级电子1001班第6次课授课时间3月7日星期三月日星期月日星期授课地点知行楼401教学目的：掌握电容式传感器的工作原理及测量电路教学方法：举例法讲授法重点：电容式传感器的工作原理难点：电容式传感器的测量电路能力培养：利用电容量的变化测量被测量教具：多媒体3.2电容式传感器的测量电路1.变压器电桥电路C1C2U0U变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。图中C1、C2为差动电容传感器的电容。变压器次级的中点接地作为输出电压U0的零点。电桥的输出电压为：2.运算放大器电路图3-13运算放大器测量电路CxC0-AUUSCIiIxICx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：若传感器是一平行板电容，则：代入（3-20）式得：可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。

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。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；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。图3-16差动脉冲调宽电路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A13.差动脉宽调制电路根据电路知识可知：UA、UB—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。A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差设R1＝R2＝R，则

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。对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：

适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。

+-图3-19边缘效应1．消除和减小边缘效应3.3保持电容式传感器特性稳定的方法等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。可在结构上增设等位环来消除边缘效应。图3-20带有等位环的平板式电容器传感器等位环3+-电极1电极2边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。（1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术（5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法（1）增加传感器原始电容值

采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2~0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在10-3~103pF范围内，相对值变化在10-6~1范围内。

（2）集成化

将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。图3-21“驱动电缆”技术1：1+测量电路外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器-传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。

当电容式传感器的初始电容值很大(几百µF)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。C1和C2构成差动电容传感器，与平衡电阻Z1和Z2组成测量电桥，Cp1和Cp2为寄生电容。C1C2CP1CP2Z1Z2-A图3-23交流电桥的整体屏蔽屏蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂Z1和Z2中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容Cp1和Cp2分别与Z1和Z2相并联。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，则寄生电容Cp1和Cp2对电桥平衡状态的影响就很小。

最易满足上述要求的是变压器电桥。图3-11变压器式交流电桥Cr1Cr2USCUZ1Z2还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容C1和C2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出1pF的电容。（6）防止和减小外界干扰

当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：

屏蔽和接地。传感器壳体、导线、传感器与测量电路前置级等。增加原始电容量，降低容抗。导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。4.4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

凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PLPH输出USC与差压PH-PL成正比。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

利用电容差压变送器测量液体的液位

差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：

p=gh2.电容式液位计

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。

聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感器

液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定

智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮3.湿度测量

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（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容外形吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。4.硅微加工加速度传感器

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。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。

装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用

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。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

传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。

7.电容式指纹传感器

指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。7.电容式指纹传感器

3.4电容式传感器的应用

半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像,分辨率可高达600dpi,并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样,要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧,功耗很低,可以集成到许多现有设备中,这是光学采集设备所无法比拟的,现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。7.电容式指纹传感器

3.4电容式传感器的应用

指纹识别目前最常用的是电容式传感器，