电容式传感器

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1、第三章 变电抗式传感器原理与应用,第4节 电容式传感器1、电容式传感器工作原理与特点2、电容式传感器等效电路与测量电路3、电容式传感器应用,2016-10-24（周一）,授课目的,掌握电容式传感器的工作原理与特点 掌握等效电路与测量电路 了解电容式传感器的应用,1.1、电容式传感器的工作原理,把被测量转换成电容量的变化，通过转换电路，变成电压或电流输出。,什么是电容器?,电容器由两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。,电容,导体上的电荷,导体之间的电压差,1.1、电容式传感器的工作原理,S 极板相对覆盖面积；d 极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数（8.85pF/m）；

2、电容极板间介质的介电常数。,电容量计算,如何改变电容大小?,1.2、电容式传感器的分类,变极距(d）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),1.2、电容式传感器的分类,非线性关系,若Dd /d 103kv/mm)或塑料膜来 改善电容器耐压性能,平板式变面积型 静态灵敏度,kg极板的长度a无关，但需保证ad，减小极板边缘电场的影响。,1.3、电容式传感器的主要性能,（2）非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,d 取值不能大，否则将降低灵敏度,1.3、电容式传感器的主要性能,采用差动形式（图3.4.1(e)）

3、 并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗 作为电容式传感器输出量,被测量与d 成线性关系,无需满足,1.3、电容式传感器的主要性能,（2）非线性,变面积型、变电介常数型,在忽略边缘效应，变面积、变电介常数型电容式传感器具有良好的线性关系；实际上，由于边缘效应，仍有非线性问题，且导致灵敏度下降，但比变极距型好得多。,1.4、电容式传感器的特点,优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ） 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,1.4、电容式传感器的特点,缺点: 1. 输出阻抗高、

4、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。 2. 寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。,1.4、电容式传感器的特点,设计要点: 1. 减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能； 2. 消除和减小边缘效应； 3. 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰； 4. 尽可

5、能采用差动式电容传感器 。具体措施在教材第86页,第三章 变电抗式传感器原理与应用,第4节 电容式传感器1、电容式传感器工作原理与特点2、电容式传感器等效电路与测量电路3、电容式传感器应用,2016-10-24（周一）,2.1、电容式传感器等效电路,R1为电极间等效漏电阻,低频等效电路,高频时， L与C形成串联谐振,电源频率需低于谐振频率（1/31/2），传感器才能工作。,高频等效电路,R2为等效串联电阻(ESR) L为等效串联电感(ESL),2.1、电容式传感器等效电路,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,

6、当电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。 改变电源频率、更换传感器到转换电路的引线长度，需重新定标。,2.2、电容式传感器测量电路,（1）调频电路 电容传感器接入LC振荡回路中，容值的变化转换为振荡器频率的变化。,2.2、电容式传感器测量电路,（1）调频电路,当被测信号为零时，DC=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，,当被测信号不为零时，c0，此时频率为,具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量； 易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强,2.2、电容式传感器测量电路,（2）运放电路 电容传感器接入运放电路中（作

7、为反馈元件），容值的变化转换为运放电路增益的变化。,Cx是传感器电容 C是固定电容,2.2、电容式传感器测量电路,（2）运放电路,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。要求：放大器开环放大倍数A、输入阻抗Zi足够大。电源电压和容值C稳定。,2.2、电容式传感器测量电路,（3）双T型电桥电路 方波交流电源，两个传感器电容（ C1 、C2 ），差动形式输出，容值的变化转换输出直流电压的变化。,电源正半周D1导通、D2截止，C1充电、 C2放电； 电源负半周D2导通、 D1截止， C2充电、C1放电；,稳态时， 根据电容充放电平衡， 输出电压与（C1 - C2 )成正比。,2.2、电容式传

8、感器测量电路,（4）脉宽调制电路 双稳触发器，两个传感器电容（Cx1、Cx2），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。,A1、A2为比较器， RC充电，VD放电。经低通滤波后，就可得到一直流电压Uo,+,+,2.2、电容式传感器测量电路,（4）脉宽调制电路，原理波形,根据波形， 如何区分电容大小?,2.2、电容式传感器测量电路,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2,差动变极距型差动变面积型,特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器；并具有理论上的线性特性 。,第三章 变电抗式传感器原理与应用,第4节 电容式传感器1、电容式传感器工

9、作原理与特点2、电容式传感器等效电路与测量电路3、电容式传感器应用,2016-10-24（周一）,3、电容式传感器应用,（1）电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力 需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,3、电容式传感器应用,（2）电容式加速度传感器,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块（可动电极） 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,3、电容式传感器应用,（3）电容式位移传感器,3、电容式传感器应用,（4）容栅式传感器,在变面积型电容式传感器的基础上，发展而来；

10、定栅尺上的反射电极与动栅尺上的发射电极形成一对对电容，（容栅）；结构上可分为长容栅和圆容栅； 特点： 结构简单、精度高、动态响应快、抗干扰能力强、测量范围大,3、电容式传感器应用,长容栅 （反射式）,结构形式简单，使用方便， 移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大,3、电容式传感器应用,长容栅 （透射式）,测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低； 制造安装困难,3、电容式传感器应用,圆容栅,r2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径a 每条栅极片对应的圆心角（rad）,3、电容式传感器应用,电容式触控屏,人体为导体，用户和触屏表面形成一个耦合电容， 改变电场分布，从而改变电容,3、电容式传感器应用,电容式指纹识别,通过指纹的山谷和山脊之间的凹凸来形成指纹图像， 所以对脏手指湿手指等困难手指识别率低。,作业（第96页）,题目：7，9,THE END,