第4章 电容式传感器剖析

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1、第4章 电容式传感器,传感器原理与应用,主要内容： 4.1 电容传感器工作原理 4.2 电容传感器输出特性 4.3 电容传感器测量电路 4.4 电容式传感器的应用举例,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,概 述,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,传统电容式传感器主要用于位移、角度、振动、加速度 等机械量精密测量。 现代电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份 含量等方面的测量。,应用实例（电容测深度、角度）,角度测量,液位测量,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电容式接近开关,ATM专用人体接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器件, 可准确探知附近人物的靠近，是目前作为防

2、盗报警和状态检测的最佳选择。 采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出，直接触发报警录像。探测人体接近距离远近可调，可调节半径为(约)0-5米。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电容式触摸板(屏)及按键,对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从电阻式转移至电容式触摸屏技术。 2011年前，近25%的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触摸屏。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机,方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触摸需要系统软件的支持，所以不支持多点触摸的也有可能还是

3、电容屏。 方法二：有触摸笔的必定是是电阻屏手机 方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机,电容屏触控工作方式：其触摸屏由一块四层复合玻璃屏构成，并在表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。 当手指触摸在触摸屏上时，由于人体电场和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。,这个电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,如何

4、区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机,电阻屏触控工作方式：电阻触摸屏的屏体是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层导电层(ITO膜)，上面再盖有一层经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。 它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开。 当手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点的XY坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作； 因此这种技术必须是要使用硬物施力到屏幕上， 才能获得触控效果。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电容式压力变送器,电容式差压传

5、感器,电容式接近开关,电容式传感器的特点 电容器容量小(几十几百微法)，输出阻抗高; 极板静电引力小，工作所需作用力很小； 可动质量小，固有频率高，动态响应特性好； 功率小，本身发热影响小； 可以进行非接触测量。,第4章 电容式传感器,4.1 电容传感器工作原理,传感器原理及应用,电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。,电容传感器工作原理可以用平板电容说明：,第4章 电容式传感器,4.1 电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,改变式中 S 极板面积，称变面积型电容传感器 极板距离，称变极距型电容传感器 介电常数，称变介质型电容传感器 其中： 真空介电常数 空气介质的相对介电常数近

6、似为,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,变极距型电容传感器,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,变面积型电容传感器,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,变介质型电容传感器,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,当分母 1 时，用泰勒级数展开,初始电容 ， 极距减小 时， 电容量增加C,4.2 电容传感器输出特性 1. 变极距型（）,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,1. 变极距型（）,做线性处理(忽略高次项)后，电容相对变化量与电容极板的极距变化成正比,定义电容传感器灵敏度为,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,变极距型电容传感器灵敏度与初始极距有关 要提高传感器灵敏

7、度 k0 应减小初始极距 ，但初始极距受电容击穿电压限制； 另外，初始极距 与灵敏度、线性度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移； 非线性误差随相对的位移 的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移，限制了测量范围； 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,讨论：,4.2 电容传感器输出特性,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,差动结构的电容特征方程式为：,差动结构的平板电容 设电容的动极板移动时C1 增加，C2 减小，且C1=C2,电容的总的变化量,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电容相对变化量,忽略高次项，电容相对变化量为,传感器（差动式）灵敏度,相对非线性误差为,差动式

8、电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍； 非线性误差减小（多乘 因子）。,结论：,差动结构的平板电容,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,2. 变面积型（S）,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,平板电容的初始电容值为,电容的相对变化量 与位移成正比,平板变面积型电容传感器灵敏度,当动极板移动x 后，两极板间电容量为,2. 变面积型（S）,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,（平板）变面积式电容传感器灵敏度k0 为常数；,讨论：,输出特性为线性关系 适合大位移测量 可实现直线位移、 角位移测量。,第4章 电容式传感器,3. 变介电常数式（）,传感器原理及应用,变介电常数式电容传感器与传

9、感器结构有关， 分以下几种情况： 测介质厚度 (纸张、薄膜厚度）_图a 测介质位移（介质位置变化）_图b 测介质材料（介电常数，如介质材料、液位)_图c 测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,测厚度,电容与介质参数之间关系与极距的几何尺寸有关： 介电常数包括被测介质和空气介质,介质不变，极板面积 S 和极距 一定，改变介质厚度 d，可设计为测厚仪器；,测量介质（） ，可设计为介电常数的测试仪器；,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,测位移 介质的厚度和材料不变，电容与介质参数之间的关系与介质在极板中的位置有关：,式中：a、b 分别为平板电容的边长

10、,测液位,通常根据容器的形状计算 无介质时，容器C0为传感器静电容， 中心检测电极为电容器的一个极板， 外侧（或容器罐）是电容器的另一个极板。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,燃油增加，hx增大，C也增大； 燃油减少，hx减少，C也减小。 通过测量电容的大小就能知道油量的多少。,测液位油量测量,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,测液位,测量管道 液位高度,电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,4.3 测量电路,4.3.1交流电桥 4. 3. 2 二极管双T型电路 4. 3. 3 差动脉冲调

11、宽电路 4 .3. 4 运算放大器电路 4. 3. 5 调频电路,主要信号调理电路,电容传感器的等效电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电容传感器的等效电路包括: RP并联损耗电阻，代表极间的泄露电阻和介质损耗。 Cp为屏蔽导线两端的分布电容。代表极间的容性漏电 Rs损耗电阻，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。,A,B,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,解决的方法: 将电容转换元件置于金属屏蔽罩内，引出线用屏蔽线， 屏蔽罩通过外壳接地； 前级测量电路紧靠转换元件装在同一壳体内避免 信号长距离传输； 驱动电缆技术，连接电缆采用

12、双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。,驱动电缆技术是一种等电位屏蔽方法。这一方法可在10m距离不影响传感器性能，保证电容 1pF时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,变压器式交流电桥测量系统 电容传感器为 两个桥臂为差动形式,代入：,4.3.1 电桥电路,交流电桥的输出电压为,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系,极板在中间

13、位置时 动片上移时两电容分别变化为,4.3.1 电桥电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,交流电桥的多种形式,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,交流电桥的主要特点,电桥输出调幅波，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路又称为调幅电路，其后要接解调电路； 输出电压与电源电压成比例，因此要求采用单一频率，幅值稳定的电源； 传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大； 输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,UE 高频对称方波电源，D1、D2 二极管，特性相同； C1、C2传感器差动电容；

14、R1、R2 为固定电阻，RL负载。,4.3.2 二极管双T型电路,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,工作原理分析 t 0 电路接通，C1充电至UC1= UE ；,双T型电路动画,负载上电流 ：IL= I1（放电）+ I2（电源）,t = t2 ，UE正半周，D1导通，D2截止,C1 = C2时 IL = IL 大小相等方向相反,t = t1 ，UE负半周， D1截止，D2导通,负载上电流 ：IL = I1（电源）+ I2（放电）,4.3.2 二极管双T型电路,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,双T型电路动画,4.3.2 二极管双T型电路,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,双T

15、型电路动画,4.3.2 二极管双T型电路,第4章 电容式传感器,传感器原理及应用,一个周期内RL 上的平值电压为,一个周期内负载 RL 上输出电压 URL与电容的差值 (C1-C2) 成正比。,式中：M 为常数； UE 、 f 为电源电压幅值和频率。,4.3.2 二极管双T型电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,电 路 原 理 框 图,电路组成 、电压比较器；双稳态触发器作输出; D1、D2与电阻 R1 、R2组成充放电回路， R1 =R2 ； Uc 参考直流电压，与F、 G电压比较; 电容C1、C2为传感器差动电容， C1 = C2 。,4.3.3 差动脉冲调宽电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,4.3.3 差动脉冲调宽电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,4.3.3 差动脉冲调宽电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,变面积型，输出与两电容的面积差值成正比,变极距型，输出与两电容的极距差值成正比,4.3.3 差动脉冲调宽电路,传感器原理及应用,第4章 电容式传感器,采用直流供电； 适用于变极板距离与变面积型差动式电容传感器，具有线性特性； 转换效率高，经低通放大器有较大直流输出；