传感器与检测技术 电容传感器

传感器与检测技术电容传感器第1页/共97页概述电容式传感器的特点是：小功率、高阻抗;本身发热影响小;

电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;

静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；可进行非接触测量。

传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。第4章电容式传感器第2页/共96页

牛牛文库文档分享第2页/共97页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第4章电容式传感器概述第3页/共96页

牛牛文库文档分享第3页/共97页电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度第4章电容式传感器概述第4页/共96页

牛牛文库文档分享第4页/共97页4.1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(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。第4章电容式传感器4.1.1

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

式中ε--两个极板间介质的介电常数；

s--两个极板相对有效面积；

d--两个极板间的距离第5页/共96页

牛牛文库文档分享第5页/共97页C——电容量，单位：F法拉——真空介电常数，8.85×10-12F/m——极板间介质的相对介电常数S——极板的有效面积（m2）——两平行极板间的距离（m）1、平板电容器4.1电容式传感器的工作原理及类型第6页/共96页

牛牛文库文档分享第6页/共97页变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++dSd、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。4.1.1工作原理

第4章电容式传感器的工作原理及类型第7页/共96页

牛牛文库文档分享第7页/共97页变极距型传感器4.1电容式传感器的工作原理及类型第8页/共96页

牛牛文库文档分享第8页/共97页变面积型传感器面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++4.1电容式传感器的工作原理及类型第9页/共96页

牛牛文库文档分享第9页/共97页变介质型传感器4.1电容式传感器的工作原理及类型第10页/共96页

牛牛文库文档分享第10页/共97页一、变极距型电容传感器若d从d0→d0－Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有当时，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。4.1.2类型4.1电容式传感器的工作原理及类型电容器灵敏度：第11页/共96页

牛牛文库文档分享第11页/共97页结论：①欲提高灵敏度，应减小间隙d，但受电容器击穿电压的限制；②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。

Δd/d=0.02~0.1③为改善非线性，可以采用差动式。4.1电容式传感器的工作原理及类型为了获得高灵敏度，一般通过减小初始极距d0来提高灵敏度，但——d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片。第12页/共96页

牛牛文库文档分享第12页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型第13页/共96页

牛牛文库文档分享第13页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型二、变面积型电容传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器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第14页/共96页

牛牛文库文档分享第14页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型二、变面积型电容传感器线位移型电容式传感器平面线位移型和圆柱线位移型两种。改变极板间覆盖面积的电容式传感器常用的有角位移型和线位移型两种。第15页/共96页

牛牛文库文档分享第15页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型二、变面积型电容传感器对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度h变化时，电容量也随之变化其电容为：改变极板间覆盖面积的电容式传感器常用的有角位移型和线位移型两种。线位移型电容式传感器第16页/共96页

牛牛文库文档分享第16页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型第17页/共96页

牛牛文库文档分享第17页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型二、变面积型电容传感器直线位移型电容式传感器图所示为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的变化引起动极板移动距离△x时，覆盖面积S就发生变化，电容量C也随之改变，其值为：第18页/共96页

牛牛文库文档分享第18页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型说明：(1)由此可见电容C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关系；(2)减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b则受到传感器体积的限制。(3)可以做成差动形式。

第19页/共96页

牛牛文库文档分享第19页/共97页三、变介电常数型电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。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(图d)等4.1电容式传感器的工作原理及类型第20页/共96页

牛牛文库文档分享第20页/共97页电容式液位传感器线性4.1电容式传感器的工作原理及类型第21页/共96页

牛牛文库文档分享第21页/共97页4.1电容式传感器的工作原理及类型第22页/共96页

牛牛文库文档分享第22页/共97页4.2电容传感器的灵敏度及非线性

这里我们先讨论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，如图4-1情况。对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：4.2电容式传感器的灵敏度及非线性第23页/共96页

牛牛文库文档分享第23页/共97页泰勒展开灵敏度：4.2电容式传感器的灵敏度及非线性第24页/共96页

牛牛文库文档分享第24页/共97页可见灵敏度非常数；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

△d<<d0，此时，传感器的灵敏度近似为常数。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。动极板上移：初始位置时，4.2电容式传感器的灵敏度及非线性第25页/共96页

牛牛文库文档分享第25页/共97页差动平板式电容传感器目的：提高灵敏度减小非线性误差非线性误差：灵敏度：4.2电容式传感器的灵敏度及非线性S第26页/共96页

牛牛文库文档分享第26页/共97页4.3.1电容传感器的特点

优点：①温度稳定性好②结构简单、适应性强③动态响应好④可以实现非接触测量，具有平均效应点

缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大——掌握寄生电容的定义；③输出特性非线性

——针对变极距型来说；4.3电容传感器的等效电路4.3电容式传感器的等效电路第27页/共96页

牛牛文库文档分享第27页/共97页图中C为传感器电容；RP为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；CP为寄生电容克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。4.3.2等效电路

4.3电容式传感器的等效电路第28页/共96页

牛牛文库文档分享第28页/共97页可见在实际应用中，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器有效灵敏度的改变。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。

计算AB间有效电容Ce:4.3电容式传感器的等效电路第29页/共96页

牛牛文库文档分享第29页/共97页所以，电容传感器测量必须在同样条件下进行。改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。传感器的灵敏度ke为：4.3电容式传感器的等效电路第30页/共96页

牛牛文库文档分享第30页/共97页4.4电容传感器的设计要点4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。4.4.2消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。4.4电容传感器的设计要点第31页/共96页

牛牛文库文档分享第31页/共97页4.4.3消除和减小寄生电容的影响

寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。

4.4电容传感器的设计要点第32页/共96页

牛牛文库文档分享第32页/共97页消除和减小寄生电容可采用如下方法：增加原始电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术)。如图4-7

采用运算放大器法；整体屏蔽法。4.4电容传感器的设计要点第33页/共96页

牛牛文库文档分享第33页/共97页4.4电容传感器的设计要点4.4.4防止和减小外界干扰屏蔽和接地。增加原始电容值以降低容抗。导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。

第34页/共96页

牛牛文库文档分享第34页/共97页4.5电容式传感器的转换电路

电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，从而使信号能传输、放大、控制。但是电容量小，变化更小（PF级）。同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。电容量小，变化更小（PF级）。目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型调制型脉冲型(或称为电容充放电器)4.5电容式传感器的转换电路第35页/共96页

牛牛文库文档分享第35页/共97页4.5.1调制型电路一、调频电路电容传感器的初始电容Cx=C0，则振荡器的频率为一个常数：4.5电容式传感器的转换电路第36页/共96页

牛牛文库文档分享第36页/共97页特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。当电容传感器Cx工作时，Cx=C0+△C，则相应的谐振频率变为：4.5电容式传感器的转换电路第37页/共96页

牛牛文库文档分享第37页/共97页二、调幅电路配有这种电路的系统，在其电路输出端取得的是具有调幅波的电压信号，其幅值近似地正比于被测信号。主要有：交流激励法和交流电桥法。1．交流激励法上图为基本原理图和等效电路图，其中E2为二次侧感应电动势．其值为4.5电容式传感器的转换电路第38页/共96页

牛牛文库文档分享第38页/共97页一次侧通过互感在二次侧产生的感生电动势R为二次线圈的直流电阻值对于电容Cx而言有：4.5电容式传感器的转换电路第39页/共96页

牛牛文库文档分享第39页/共97页带入上式可得：根据微分方程解的形式，可以得到Uc的表达式，进而可解得Uc的模为：传感器的初始电容为C0，电感电容回路的初始谐振频率为4.5电容式传感器的转换电路第40页/共96页

牛牛文库文档分享第40页/共97页取设：将Q、K带入Uc的表达式中，则有4.5电容式传感器的转换电路第41页/共96页

牛牛文库文档分享第41页/共97页4.5电容式传感器的转换电路谐振曲线电路输出的电信号是与激励源同频率，幅值则随被测量的大小而改变的调幅波。第42页/共96页

牛牛文库文档分享第42页/共97页2.交流电桥法4.5电容式传感器的转换电路第43页/共96页

牛牛文库文档分享第43页/共97页图4-13(h)形式的电桥(变压器式电桥)，使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。该电桥两臂是电源变压器二次线圈。设感应电动势为E，另一两臂为传感器的两个电容，容抗分别为Z1=1/jωCx1和Z2=1/jωCx2

，假设电桥所接的放大器的输入阻抗即本电桥的负载为RL，则电桥输出为4.5电容式传感器的转换电路图（h）变压器式电桥第44页/共96页

牛牛文库文档分享第44页/共97页图4-13(h)形式的电桥(变压器式电桥)，使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。该电桥两臂是电源变压器二次线圈。设感应电动势为E，另一两臂为传感器的两个电容，容抗分别为Z1=1/jωCx1和Z2=1/jωCx2

，假设电桥所接的放大器的输入阻抗即本电桥的负载为RL，则电桥输出为当负载为RL为无穷大时可见，差分式电容传感器接入变压器式电桥中，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器(包括变极距)，电桥的输出电压与输人量均成线性关系4.5电容式传感器的转换电路第45页/共96页

牛牛文库文档分享第45页/共97页由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。4.5电容式传感器的转换电路第46页/共96页

牛牛文库文档分享第46页/共97页4.5电容式传感器的转换电路47回路1回路2节点A求解：第47页/共96页

牛牛文库文档分享第47页/共97页484.5电容式传感器的转换电路第48页/共96页

牛牛文库文档分享第48页/共97页4.5.2脉冲型电路脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电特性。两种性能较好，较常用的电路为双T型充放电网络脉冲调宽型电路用绘图板说明问题4.5电容式传感器的转换电路一、双T型充放电网络第49页/共96页

牛牛文库文档分享第49页/共97页图4-15双T型充放电网络等效电路双T型电路工作原理分析

正半周D1导通D2截止C1充电，电源电流通过R1和RL,电流为I1；C2（在上一个半周已经充电）通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2

；4.5电容式传感器的转换电路第50页/共96页

牛牛文库文档分享第50页/共97页4.5电容式传感器的转换电路双T型电路工作原理分析负半周D1截止D2导通C2充电，电源电流通过RL

和R2,电流为I’2；C1（在上一个半周已经充电）通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I’1

；一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压U幅值、频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比第51页/共96页

牛牛文库文档分享第51页/共97页若传感器输入不为

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输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。4.5电容式传感器的转换电路第52页/共96页

牛牛文库文档分享第52页/共97页4.5电容式传感器的转换电路

电路组成：A1、A2比较器,同相输入端接入比较电压E。若UC≥E，则A1输出负电平；若UD≥E，则A2输出负电平参考直流电压。二、差动脉冲调宽电路

第53页/共96页

牛牛文库文档分享第53页/共97页4.5电容式传感器的转换电路双稳态触发器FF，以负电平输入。如A1输出低电平，则Q为低电平，而Q为高电平；如A2输出低电平，则Q为低电平，而Q为高电平。VD1、VD2与电阻R1、R2组成充放电回路；电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。二、差动脉冲调宽电路

第54页/共96页

牛牛文库文档分享第54页/共97页工作原理：设传感器处于初始状态，Cx1=Cx2=C0；且A点为高电平，即UA=U；而B点为低电平，即UB=04.5电容式传感器的转换电路二、差动脉冲调宽电路

第55页/共96页

牛牛文库文档分享第55页/共97页A端(高电平)注意：Cx1充电过程中，电压按指数规律上升，时间常数4.5电容式传感器的转换电路第56页/共96页

牛牛文库文档分享第56页/共97页4.5电容式传感器的转换电路由于R1=R2，Cx1=Cx2=C0；所以τ1=τ2，T1=T2；即UAB为对称方波。B端高电平第57页/共96页

牛牛文库文档分享第57页/共97页波形图

UAB平均值为零第58页/共96页

牛牛文库文档分享第58页/共97页假如在t4时刻，电容传感器电容发生变化，造成：Cx1=C0+△C1，Cx2=C0–△C2所以τ1≠τ2，T1≠

T2，UAB为非对称当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出直流分量:T1─Cx1的充电时间；T2─Cx2的充电时间；U─触发器输出的高电位

4.5电容式传感器的转换电路第59页/共96页

牛牛文库文档分享第59页/共97页

由于U的值是已知的，因此，输出直流电压UAB随T1和T2而变，亦即随UA和UB的脉冲宽度而变，从而实现了输出脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位E小于U。由电路可得出，电容C1和C2的充电时间为:4.5电容式传感器的转换电路第60页/共96页

牛牛文库文档分享第60页/共97页

电阻R1=R2=R，综合以上三式:

上式说明，直流输出电压正比于电容Cx1与Cx2的差值，其极性可正可负。4.5电容式传感器的转换电路第61页/共96页

牛牛文库文档分享第61页/共97页波形图

U0平均值不为零第62页/共96页

牛牛文库文档分享第62页/共97页说明:(1)把平行板电容公式代入式（4-17）中，在变间隙的情况下可得:式中d1，d2─分别为Cx1，Cx2电极极板间的距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0时，即d1=d2=d0时，Uo=0。若Cx1≠Cx2，设Cx1＞Cx2，即d1=d0－△d，d2=d0＋△d，则上式为4.5电容式传感器的转换电路第63页/共96页

牛牛文库文档分享第63页/共97页(2)在变面积的情况下有式中S1，S2─—分别为Cx1，Cx2电极极板面积。由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。

4.5电容式传感器的转换电路第64页/共96页

牛牛文库文档分享第64页/共97页

电容传感器膜盒结构片4.6电容式传感器的应用举例一、电容式压力传感器4.6电容式传感器的应用举例第65页/共96页

牛牛文库文档分享第65页/共97页

结构：测量膜片（金属弹性膜片）——

动片；两个玻璃球面上镀有金属——

定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，4.6电容式传感器的应用举例第66页/共96页

牛牛文库文档分享第66页/共97页

当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：

PH>PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2，；

PH<PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2；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第67页/共96页

牛牛文库文档分享第67页/共97页4.6电容式传感器的应用举例第68页/共96页第68页/共97页二、电容式加速度传感器电容式加速度传感器这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使c1，c2中一个增大，一个减小。4.6电容式传感器的应用举例第69页/共96页

牛牛文库文档分享第69页/共97页4.6电容式传感器的应用举例

电容测深度、角度动画演示三、电容式料位计

用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：第70页/共96页

牛牛文库文档分享第70页/共97页4.6电容式传感器的应用举例四、电容测位移案例1.振动位移测量

案例2.旋转轴的偏心量的测量

第71页/共96页

牛牛文库文档分享第71页/共97页4.6电容式传感器的应用举例电容测厚仪

电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。第72页/共96页

牛牛文库文档分享第72页/共97页4.6电容式传感器的应用举例智能型电容传感器

硅微型电容传感器结构第73页/共96页

牛牛文库文档分享第73页/共97页4.6电容式传感器的应用举例1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）硅微加工加速度传感器原理

第74页/共96页

牛牛文库文档分享第74页/共97页4.6电容式传感器的应用举例

当它感受到上下振动时，C1、C2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路将ΔC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。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。

如果在壳体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度。第75页/共96页

牛牛文库文档分享第75页/共97页4.6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。

装有传感器的假人气囊加速度传感器在汽车中的应用第76页/共96页

牛牛文库文档分享第76页/共97页4.6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，经控制系统使气囊迅速充气。汽车气囊的保护作用第77页/共96页

牛牛文库文档分享第77页/共97页4.6电容式传感器的应用举例传感器安装位置利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹第78页/共96页

牛牛文库文档分享第78页/共97页4.6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

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牛牛文库文档分享第79页/共97页4.6电容式传感器的应用举例吸水高分子薄膜湿敏电容外形第80页/共96页

牛牛文库文档分享第80页/共97页4.6电容式传感器的应用举例湿敏电容模块及传感器外形第81页/共96页

牛牛文库文档分享第81页/共97页4.6电容式传感器的应用举例在野外的使用带报警器的家庭使用型湿敏电容传感器的安装使用第82页/共96页

牛牛文库文档分享第82页/共97页4.6电容式传感器的应用举例机械式油量表：

在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。电容式油量表

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牛牛文库文档分享第83页/共97页4.6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m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