43电容式传感器-(2)知识讲解

电子信息与自动化学院贺晓蓉电气测试技术电气测试技术1/16/202514.3电容式传感器电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。1/16/20252各种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1/16/20253

1.变间隙型（变极距

型）4.3.2类型灵敏度：间隙变化电容传感器用于测量位移及一切能转化为位移测量的物理参数，其特点是非接触式测量，因而对被测量量影响小，灵敏度高；测量范围可达1mm，非线性误差约为满量程的1％～3％；测量的频率范围为0Hz～105Hz。1/16/20255从

可看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围，一般取极距变化范围为。此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。

1/16/20256传声器是一种将声信号转换为电信号的换能器件。俗称话筒、麦克风。传声器的好坏将直接影响声音的质量。

电容传声器主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使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，从而完成了声电转换。

电容传声器的频率范围宽、灵敏度高、失真小、音质好，但结构复杂、成本高，多用于高质量的广播、录音、扩音中。

产品：电容传声器1/16/20257传声器输出电压增量和被测声压成正比。1/16/20258驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。被广泛地应用在盒式录音机中作为机内传声器。

补充1/16/20259动圈传声器主要由振动膜片、音圈、永久磁铁和升压变压器等组成。它的工作原理是当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中作切割磁力线的运动。根据电磁感应原理，在线圈两端就会产生感应音频电动势，从而完成了声电转换。为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗，还需装置一只升压变压器。

动圈传声器结构简单、稳定可靠、使用方便、固有噪声小，被广泛用于语言广播和扩声系统中。但缺点是灵敏度较低、频率范围窄。近几年已有专用动圈传声器，其特性和技术指标都较好。补充＃一般使用的麦克风基本上都是动圈式的。1/16/202510无线传声器实际上是一种小型的扩声系统。它具有不需要电缆的机动灵活性，又兼有有线扩声设备高质量的电声性能，被广泛运用于电视演播室、电影同期声、舞台艺术扩声、现场直播、现场采访、电化教学、展览讲解及其他专业应用场合。

它由一台微型发射机组成。发射机又由微型驻极体电容式传声器、调频电路和电源三部分组成，无线传声器采用了调频方式调制信号，调制后的信号经传声器的短天线发射出去，发射频率的范围、按国家规定在100MHz~120MHz之间，每隔2MHz为一个频道，避免互相干扰。

无线传声器与接收机应一一对应，配套使用，不得张冠李戴，出现差错。接收机是专用调频接收机，但是一般的调频收音机只要使其调谐频率调整在无线传声器发射的频率上，同样能收听到无线传声器发出的声音。

无线传声器补充1/16/202511角位移型+++2.变面积型（A型）1/16/202512板状（平面）线位移型1/16/202513柱面（筒状）线位移型.面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。1/16/2025143.变介电常数型（

型）大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还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、容量等。1/16/202515电容式液位传感器（液位计/料位计）产品1/16/202516测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。工作流程方框图电容式接近开关产品1/16/202517电容接近开关，主要用于检测非金属物，被广泛应用到颗粒料位仪、人体接近开关等用途，它的直径为18毫米，固定时只要在设备外壳上打一个18毫米的园孔就能轻松固定，长度约70毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫米。1/16/202518电容式接近开关在液位测量控制中的使用1/16/202519电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示1/16/202520实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。差动式电容传感器的中间可移动的电容器极板与两边固定的电容器极板形成两个电容器和，当中间极板向一方面移动时，其中一个电容器的电容因极间距增大而减小，而另一个电容因极间距减小而增大，由此可得电容总变化量为由此可得灵敏度为差动式电容传感器不仅可提高灵敏度，也相应地改善了测量线性度。4.差动式电容传感器1/16/202521陶瓷电容压力传感器介质压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。电子线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准工业测量信号。

产品1/16/202522压力变送器1151系列电容式变送器外形图被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ元件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成电流信号。1/16/202523当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。1/16/202524各种电容式差压变送器外形

1/16/202525各种电容式压力变送器外形（续）

（参考丹东长隆自控有限公司资料）法兰1/16/202526各种电容式压力变送器外形（续）

1/16/202527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=

gh1/16/202528a)电桥电路4.3.3测量电路1/16/202529举例：电容式自平衡液位测量仪:图4-64是电容式自动平衡液位测量仪原理框图，试求指针偏转角θ与液位h的表达式。图4-64电容式自动平衡液位测量仪原理框图解：由图可见，当h=0时，CX=CX0=C0，且电位器RP（阻值RP）的电刷在O点，即R=0，此时电桥应平衡，桥路输出电压Uac=0，则电桥阻抗平衡1/16/202530

当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。此时Uac≠0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动，同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时联立求解上面两式得：由于指针转角θ与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：θ=k2R因此其中，k2为比例系数可见，指针偏转转角θ与液位高度h成比例。1/16/202531b)谐振电路（调频电路）这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再通过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。1/16/202532将电容传感器接入高频振荡器LC谐振回路，作为回路的一部分。当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容限制，因此称为调频电路。测定频率或经鉴频器将频率变化转换为电压幅值的变化，就可测得被测量的变化。1/16/202533C）差动脉冲调宽电路C1>C2:A点脉宽>B点脉宽,uAB>0输出电压：C1=C2:A点脉宽=B点脉宽,uAB=01/16/202534当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A）为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。1/16/202535当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当差动电容传感器处于工作状态，即C1≠C2时，两个电容的充电时间常数发生变化，T1正比于C1，而T2正比于C2，这时输出电压的平均值不等于零。输出电压为当电阻R1=R2=R时，则有可见，输出电压与电容变化成线性关系。

C1=C2C1≠C21/16/202536d)运算放大器电路

当采用比例运算放大器电路时，可以得到输出电压与位移量的线性关系。输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用电容传感器，根据运算放大器的运算关系，当激励电压为时，输出电压为：

由此式可知，输出电压与电容传感器间隙成线性关系。这种电路常用于位移测量传感器。所以：1/16/2025374.3.4特点

1.优点高灵敏、高精度、高分辨力(0.001

m)，结构简单，适应性强；温度稳定性好；动态响应好；2.不足(1)输出阻抗高（108

），负载能力差;(2)寄生电容大.1/16/2025384.3.5电容式传感器的应用案例1.振动测量

案例2.旋转轴的偏心量的测量

1/16/202539案例3.电容式转速传感器当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。

案例4.电容式测厚仪

测量金属带材在轧制过程中厚度.C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。1/16/202540棒式探极缆式探极同轴探极

案例5.电容式物位传感器

在石油、化工、电力、食品、水处理、冶金、水泥等的生产过程中，有许多的液位、料位需要测量，基于电容原理当物（液）体上升或下降至传感器的感应面时传感器的内部电容增大，导致内部振荡电路开始振荡，从而可判断出物（液）体的有无和液位。透过非金属容器壁非接触式测量介质，无需在容器上开孔。1/16/202541电容传感器测深度测角度（动画）1/16/202542案例6.电容式指纹传感器电容式指纹传感器有单触型和划擦型两种，是目前最新型的固态指纹传感器，它们都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集。这两类电容式指纹传感器的工作原理为：当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。传感器中的像素点为45平方微米，间隔为50微米，电容像素阵列的分辨率略高于500dpi。这类传感器基于一种标准的单-多晶硅三层金属CMOS工艺，并采用0.5微米工艺进行设计。1/16/202543应用：毫无疑问，便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意义深远。例如，今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照。此人则将其右手的第一、二或第三个手指置于一个与无线PDA相连的传感器上，可以迅速将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对比确认。这种识别技术对于被盗的手机用户也有好处。手机开机时要求用户通过一个快速的认证过程，用户将其手指划过传感器，如果通过认证则授权使用手机的各项功能。如果不是授权用户，手机便继续保持锁住。如果连续几次认证无法通过，则手机会删除存储器中的关键信息然后关机。1/16/202544在今后的汽车应用中，用户可输入家庭成员指纹样本，经鉴权才能驾驶。注册过程十分简单：每个授权驾驶的成员将其手指置于传感器上，并将汽车的各种参数按个人爱好进行设置，然后将这些设置存入车载的电脑存储器中。当驾驶者进入汽车时，他