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1、主要内容： 一、电容传感器原理 二、测量与转换电路 三、电容传感器应用,一、电容式传感器的原理与类型 电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中可看出，A，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类型： 1、改变极板面积的变面积式； 2、改变极板距离的变间隙式； 3、改变介电常数的变介电常数式。,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,1、变面积式电容传感器直线型 当动极板移动x后，覆盖面积 就发生变化，电容量也随之改变 其值为 其灵敏度为 变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈 线形关系。,2、变面积式电容传感器角位移型 当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积
2、就发生变化，从 而导致电容量的变化，此时电容值为,3、变面积式电容传感器圆柱型 当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化， 从而导致电容量的变化,当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。,4、变介电常数式电容传感器圆柱型 当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。 图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可 用来测量物位或液位，也可测量位移。,5、变间隙式电容传感器 图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因被测参数 的改变而引起移动时，两极板之间的电容量C就
3、改变了。 设极板面积为A，其静态电容量为 当活动极板移动x后，其电容量为,当xd时,1、电容量C与x不是线性关系，只有当 xd时，才可认为是 最近似线形关系。 2、要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小。 3、当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。 4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来 提高绝缘性 5、在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用 差动式结构。,6、电容式压差传感器,6、电容式压差传感器,电容式差压传感器 差动型,电容式压力传感器 单只变间隙型,当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，
4、下部电容为CH。CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。,需要解决的问题是：中心膜片处于平直状态时，C0=C(d0)=?；当PHPL模片上凸hmax时，CA=C(h)=?。,设膜片半径为a，球冠形固定电极的半径为R，固定电极的实际拱底半径为b，拱底距膜片的距离为db，当d0R时：,在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似为:,膜片张力,而CA为：(积分求解过程省略),二、 电容式传感器的测量电路 1、脉冲宽度调制电路,利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0,输出U0与差压PH-PL成正比。,脉冲宽度调制电路,2、环形二极管
5、电容测量电路原理图,充电：,放电：,流过微安表的平均电流,用环形二极管充放电法测量电容的基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电， 环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。原理线路如上图所示，输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，C为滤波电容，A为直流电流表。在设计时，由于方波脉冲宽度足以使电容器Cx和Cd充、放电过程在方波平顶部分结束。,1、电容式称重传感器,电容式传感器应用,称重时，弹性元件受力变形，使动极板发生位移，导致传感器电容量变化。配接调频式电路，就会引起振荡器的振荡频率变化，频率信号经
6、计数、编码，传输到显示部分。,两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板，当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化,其中一个变大，另一个变小。,2、电容式加速度传感器,3、电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用,电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 ,4、电容式压力传感器,电容式料位计,油量测量,电容式键盘,电容传声器,指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的成像图：,
