传感器原理与应用--电容传感器

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1、传感器原理与应用 电子科技大学中山学院 2013 电容传感器电容传感器 本课程的性质与要求 以以电容器为敏感元件，将机械位移量电容器为敏感元件，将机械位移量 转换为电容量变化的传感器称为电容式传转换为电容量变化的传感器称为电容式传 感器感器。本章介绍电容传感器的分类、结本章介绍电容传感器的分类、结 构、基本原理及应用构、基本原理及应用 第一节 电容式传感器的工作原理 电容传感器以各种类型的电容器作为传感器元件， 将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电 路转换为电压、电流或频率。 电容传感器具有如下优点： （1）可获得100%以上的相对变化量 。 （2）能在恶劣的环境条件下工作。 （3）

2、所需的激励源功率小，本身发热问题可不考 虑。 （4）动态响应比电感传感器快。 第一节 电容式传感器的工作原理 电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。 当忽略边缘效应时，其电容为 式中 A两极板相互遮盖的有效面积（m2）； d两极板间的距离，也称为极距（m）； 两极板间介质的介电常数（F/m）； r两极板间介质的相对介电常数； 0真空介电常数,0=8.8510-12(F/m) 电容器的边缘效应 理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间区域是 直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最 厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时 ，将引起测量误差。 + - 三

3、种类型的电容传感器 在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均 可使电容C 改变。也就是说，电容C 是A、d、的函 数，这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参 量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器 ： 变面积式电容传感器 变极距式电容传感器 变介电常数式电容传感器 一、变面积式电容传感器 C C C d0 A x x d0 1定极板 2动极板 3外圆筒 4内圆筒 5导轨 6测杆 7被测物 8水平基准 变面积式电容传感器简析 图a是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒同心圆筒形 变面积式传感器。

4、外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。 平行板形变面积式电容传感器的容量变化 设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0 ，当动极板随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减 小，电容也随之减小，电容Cx 为 式中 C0初始电容值 在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。 角位移式的结构 1-动极板 2-定极板 极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板 的遮盖面积A 就减小，因而电容量也随之减小。 保持极距 d0不变 C 角位移 A 圆筒形直线位移传感器 外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆 筒的外半径、外圆筒的内半径分别为

5、R和r，两者原来的遮盖长 度为h0，电容量与位移成正比： Cx A 变面积式电容传感器的特性总结 变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、 尺寸等参量。 CA A 1-实际特性 2-理论特性 二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两 极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。 实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些， 以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器 的行程较小的缺点。 变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使d0小一些为好， 但行程变小（动静极板接触）。 a）结构示意

6、图 b）电容量与极板距离的关系 1定极板 2动极板 3弹性膜片 变极距式电容传感器的特性及灵敏度 设初始极距为d0，当动极板向上位移时，极板间距减小了x值后 ，其电容变大。设，则有 电容Cx与位移x不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数： 差动式电容传感器 a）差动变极距式 b）差动变面积式 1动极板 2定极板 差动电容传感器的灵敏度 提高近一倍，线性也得到改 善。外界的影响诸如温度、 激励源电压、频率变化等也 基本能相互抵消。电容传感 器的非线性误差还可以进一 步用计算机来计算修正 。 差动式电容传感器特性曲线 1-上面的电容特性 2-下面的电容特性 3-差动特性 线性好，灵敏度高 A1 A2

7、C1 C2 1-上、下外电极引线 2-接地电极 三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板 间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。 几种介质的相对介电常数 变介电常数式电容传感器 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，电容C 也就越大。C等效于空气所引起的电容C1和被测介质所引起的电 容C2的串联 式中 C1空气介质引起的等效电容； C2被测介质引起的等效电容； 介质的厚度； d极距 绝缘薄膜张力及厚度测量系统 磁粉 制动器 励磁信号 电动机 张力信号 张力传感 器 张力传感 器 信号处理 器 厚度信号 拉力 上下极板 变介电常数式电容传感器的用途 不同介

8、质对变介电常数电容器的影响很大。当介质厚度保 持不变、而相对介电常数r改变时，该电容器可作为相对介电 常数r的测试仪器。又如，当空气湿度变化，介质吸入潮气（ r水=80）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为 空气相对湿度传感器。反之，若r不变，则可作为检测介质厚 度的传感器。 电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理) a)同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟乙 烯套管式 c)带底座的电容液位传感 器的结构 1内圆筒 2外圆筒 3被测绝缘液体 4被测导电液体 5聚四氟乙烯套管 6顶盖 7绝缘底座 8信号传输屏蔽电缆 电容Ch与液面高度h (从管状电极底部算起)的关系式为 式中 h

9、 1:电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径； R：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液位;0：真 空介电常数（空气的介电常数与之相近）； r1：被测液体的相对介电常数； 1：被测液体的介电常数；1=r10。 变面积式电容式液位计（导电液体） 棒状电极（不锈钢金属管）外面 包裹聚四氟乙烯套管，不锈钢金属 管的下半部分与导电液体之间构成 电容，两者之间的介质就是聚四氟 乙烯薄层。 当被测液体的液面上升时，引起 棒状电极与导电液体之间有效高度 增大。由于聚四氟乙烯的介电常数 是空气的2倍，所以电容变大。 聚四氟乙烯外套 第二节 电容式传感器的测量电路 常见的有变压器桥式电路、双T电桥电

10、路、 脉冲宽度调制电路、FM调频电路等。 调频（FM）电路 TTL电平的高电平和低电平 电压范围分别是多少伏？ 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路 有何区别？上式中哪个量是变量？ 脉冲调制电路 利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行 控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化 的、幅值相等，宽度不相等的脉冲。 脉冲调制电路分析 脉冲调制电路的输出波形 a）C1=C2时的波形 b）C1C2时的波形 二极管双T形交流电桥电路 Ui是频率为f的高频激励电源(约1MHz)，它提供了幅值对称 的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,固定电阻 R1=R2=R，C1、C2为传感

11、器的两个差动电容，初始值C1=C2 。 在Ui为正半周时， VD1导通、VD2截止， 于是电容C1快速充电 到Ui的幅值， 有电流i1流过RL。 在随后的负半周期间，VD1截止、VD2导通，于是电容C2 快速充电到Ui的幅值,而电容C1放电。有电流i2逆向流过RL。 二极管双T形交流电桥电路分析 在初始状态，由于C1=C2，所以电流i1=i2，且方向相反，在一 个周期内流过RL的平均电流IL=0。 若差动电容传感器的C1C2，则i1i2。在一个周期内流过RL的 平均电流IL 就不为零，输出电压Uo 在一个周期内平均值为 当 为常数时，有： 输出电压Uo与双T形电桥电路中的电容C1和C2的差值成

12、正比。 二极管双T形交流电桥电路特点 电路的灵敏度KT与激励电源电压幅值Ui以及频率f有关，故对 激励电源稳定型要求较高。选取Ui的幅值高于二极管死区电压 的10倍以上，可使二极管VD1、VD2工作在线性区域。R1、R2及 RL的取值范围为10100k。可以在RL之后设置低通滤波器，能 获得平稳的直流输出电压。 双T形电桥电路具有以下特点： 电路较为简单；差动电容传感器、信号源、负载有一个 公共的接地点，不易受干扰；VD1和VD2工作在伏安特性的线 性段，死区电压影响较小；输出信号为幅值较高的直流电 压。 第三节 电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距 x、 相对面积 A 和

13、极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要 想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电 常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数 来达到非电量电测的目的。 电容式液位限位传感器 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。 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 平的系列。 聚四氟乙烯外套 液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方 法： 用手指压住设定按钮，当液 位达到设定值时，放开按钮， 智能

14、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 智能化液位限位传感器的设定按钮 超限灯 正常工作 指示灯 设定按钮 电源 指示灯 电容加速度传感器 微电子机械系统（MEMS）技术可以将一块多晶硅 加工成多层结构，制作“三明治”摆式硅微电容加速度 传感器。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成 差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不 动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片，左 端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。它的核心部分 可以小于3mm左右，与测量转换电路一起封装在贴 片IC封装中。工作电压为2.75V，加速度测量范围为 几十个g，可

15、输出与加速度成正比的电压。 “三明治”摆式硅微电容加速度传感器结构 1加速度测试单元 2信号调理单元 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） a）贴片封装 外形 b）“三明治 ”多晶硅多层 结构 c）加速度测 试单元的工作 原理 硅微加工三轴加速度传感器 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。 技术指标 ： 灵敏度：500mV/g ， 量程：10g， 频率范围：0.5-2000Hz， 安装谐振点：8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安装螺纹：M5 mm ， 线性误差：1% 加速度传感

16、器在汽车中的应用 当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断 发生了碰撞，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。 装有多种碰 撞参数测量传 感器的假人 气囊 汽车气囊的膨胀状态 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 。 如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气 囊膨胀。 汽车气囊对驾驶员的保护作用 测试假人 电容式油量表 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 当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx 0为最小值。此时应使 电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先断开减速箱与RP的 机械连接，将RP人为地调到零，即：电位器