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1、第五章第五章 电容式传感器电容式传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。小功率、高阻抗;本身发热影响小。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。 电容传感器的特点电容传感器的特
2、点1 1电容式传感器的优点电容式传感器的优点 （1 1）温度稳定性好）温度稳定性好 传传感感器器的的电电容容值值一一般般与与电电极极材材料料无无关关，仅仅取取决决于于电电极极的的几几何何尺尺寸寸，且且空空气气等等介介质质损损耗耗很很小小，只只要要从从强强度度、温温度度系系数数等等机机械械特特性性考考虑虑，合合理理选选择择材材料料和和几几何何尺尺寸寸其其他他因素因素( (因本身发热极小因本身发热极小) ) 影响甚微。影响甚微。（2 2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环在高低温、强辐射
3、及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。的测量。（3 3）动态响应好）动态响应好 电电容容式式传传感感器器由由于于极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小，（约约1010-5-5N N），需需要要的的作作用用能能量量极极小小，又又
4、由由于于它它的的可可动动部部分分可可以以做做得得很很小小很很薄薄，即即质质量量很很轻轻，因因此此其其固固有有频频率率很很高高，动动态态响响应应时时间间短短，能能在在几几MHzMHz的的频频率率下下工工作作，特特别别适适合合动动态态测测量量。又又由由于于其其介介质质损损耗耗小小可可以以用用较较高高频频率率供供电电，因因此此系系统统工工作作频频率率高高。它它可可用用于于测测量量高高速速变变化化的的参参数数，如如测测量量振振动、瞬时压力等。动、瞬时压力等。（4 4）可以实现非接触测量、具有平均效）可以实现非接触测量、具有平均效应应 当被测件不能允许采用接触测量的情当被测件不能允许采用接触测量的情况下
5、况下, ,电容传感器可以完成测量任务。当电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时采用非接触测量时, ,电容式传感器具有平电容式传感器具有平均效应均效应, ,可以减小工件表面粗糙度等对测可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以此所需输入能量极小，所以特别适宜特别适宜低能量输入低能量输入的测量，例如测量极低的的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。可以做得很灵敏，分
6、辨力非常高。 2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点 (1)(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电电容容式式传传感感器器的的容容量量受受其其电电极极几几何何尺尺寸寸等等限限制制，一一般般为为几几十十到到几几百百pFpF，使使传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高，尤尤其其当当采采用用音音频频范范围围内内的的交交流流电电源源时时，输输出出阻阻抗抗高高达达10106 610108 8。因因此此传传感感器器负负载载能能力力差差，易易受受外外界界干干扰扰影影响响而而产产生生不不稳稳定定现现象象，严严重重时时甚甚至至无无法法工工作作，必必须须采采取取屏屏蔽蔽措措施施，从从而而给给
7、设设计计和和使使用带来不便。用带来不便。 容容抗抗大大还还要要求求传传感感器器绝绝缘缘部部分分的的电电阻阻值值极极高高（几几十十MM以以上上），否否则则绝绝缘缘部部分分将将作作为为旁旁路路电电阻阻而而影影响响传传感感器器的的性性能能（如如灵灵敏敏度度降降低低），为为此此还还要要特特别别注注意意周周围围环环境境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。 高高频频供供电电虽虽然然可可降降低低传传感感器器输输出出阻阻抗抗，但但放放大大、传传输输远远比比低低频频时时复复杂杂，且且寄寄生生电电容影响加大，难以保证工作稳定。容影响加大，难以保证工作稳定。(2)(2)寄生电容影
8、响大寄生电容影响大 传传感感器器的的初初始始电电容容量量很很小小，而而其其引引线线电电缆缆电电容容( (l l2m2m导导线线可可达达800pF800pF) )、测测量量电电路路的的杂杂散散电电容容以以及及传传感感器器极极板板与与其其周周围围导导体体构成的电容等构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较大。却较大。“寄寄生生电电容容” 降降低低了了传传感感器器的的灵灵敏敏度度，且且是是随随机机变变化化的的，使使传传感感器器的的工工作作不不稳稳定定，影影响响测测量量精精度度，其其变变化化量量甚甚至至超超过过被被测测量量引引起起的的电电容容变变化化量量，致致使使传传感感器器无无法法工工作作。因此对电缆选
9、择、安装、接法有要求因此对电缆选择、安装、接法有要求(3)(3)输出特性非线性输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。特性非线性。 电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器
10、电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器5.15.1 工作原理与结构形式工作原理与结构形式（一）工作原理（一）工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 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，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。d、S和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 Sd（二）（二）电容式传感器的类型电容式传感器的类型三种基本类型三种基本类型：1 1）变极距
11、）变极距）变极距）变极距( (变间隙变间隙变间隙变间隙)()(d d ) )型型型型2 2）变面积型）变面积型）变面积型）变面积型( (S S ) )型型型型角位移变面积型角位移变面积型角位移变面积型角位移变面积型板状线位移变面积型板状线位移变面积型板状线位移变面积型板状线位移变面积型同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器3）变介电常数）变介电常数(r)型型(a)(a)单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器(a) (a) (a) (a) 厚度传感器厚度传感器厚度传感器厚度
12、传感器dx（b b）单组式平板形线位移传感器）单组式平板形线位移传感器）单组式平板形线位移传感器）单组式平板形线位移传感器1CBld2d12xCA(b) (b) (b) (b) 线位移传感器线位移传感器线位移传感器线位移传感器(c) (c) (c) (c) 液位传感器液位传感器液位传感器液位传感器2r22r1hhx(c)(c)(c)(c)圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量C为d2变极距型电
13、容传感器1 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。CC0C- 特性曲线C0极距为时的初始电容量。 差动式变间隙型电容传感器差动式变间隙型电容传感器动极板上移：动极板上移：初始位置时，初始位置时，动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 1C2 2提高一倍提高一倍减小减小略去高次项：略去高次项：电容量的相对变化为电容量的相对变化为 ：非线性误差为：非线性误差为： 灵敏度：灵敏度：2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感
14、器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 3 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚厚度度、液液位位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。n若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感
15、器的电容量与被厚度的关系为 dx厚度传感器C1C2C3Cn若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为 C1C2C3CC4 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；:两固定极板间的距离；x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l平板形lxn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 液位传感器hC1CC2可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 2r12r2hx（三）（三）电容式传感器的信号调节电路电容式传感器的信号调节电路1、运算放大器式电路运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极
16、距型电容式传感器的非线性。其原理如图将Cx = 代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 2. 2. 电桥电路电桥电路 电容传感器构成的交流电桥电容传感器构成的交流电桥电容传感器构成的交流电桥电容传感器构成的交流电桥UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU特点特点：高频交流正弦波供电； 电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅
17、、稳频等措施； 通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； 输出阻抗很高(几M至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。3 3、二极管双、二极管双T T形电路形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下： C2UE
18、(b)RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+iC1iC2iC1iC2电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 4 4、差动脉冲调宽电路、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽差动脉宽( (脉冲宽度脉冲宽度) )调制电路调制电路利用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。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。右图为差动脉冲调宽电路原
19、理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G5 5、 调频电路调频电路（见见9999页页） 6 6、 谐振电路谐振电路 （见见100页页） （四）（四）影响电容传感器精度的因素及提影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施高精度的措施n n1）温度对结构尺寸的影响n n2）温度对介质介电常数的影响n n3）漏电阻的影响n n4）边缘效应与寄生参量的影响n n5）增加原始电容值，减小寄生电容和漏电的影响（
20、五（五）电容式传感器的应用电容式传感器的应用驻极体电容传声器驻极体电容传声器 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。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。特点是体积小、性能优越、使用方便。 电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体感应电极感应电极被测被测电容电容测量头构成电容器的一个极板，另一测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近个极板是
21、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发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化状态也随之发生变化. .接近开关的检接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。是绝缘的液体或粉状物体。湿度测量湿度测量湿度测量湿度测量 发生湿敏电容一般是用发生湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。酸醋酸纤维等。 当环境湿度改变时，湿当环境湿度改变时，湿敏
22、电容的介电常数发生敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻其精度一般比湿敏电阻要低一些。要低一些。HM1500湿度传感器在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。电容式键盘电容式键盘电容式键盘电容式键盘n n常规的键盘有机械式按常
23、规的键盘有机械式按常规的键盘有机械式按常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。键和电容式按键两种。键和电容式按键两种。键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质
24、量的键可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构盘，但工艺较机械结构复杂。复杂。 此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换指纹识别指纹识别指纹识别指纹识别n n指纹识别目前最常用指纹识别目前最常用的是电容式传感器，的是电容式传感器，也被称为第二代指纹也被称为第二代指纹识别系统。它的优点识别系统。它的优点是体积小、成本低，是体积小、成本低，成像精度高，而且耗成像精度高，而且耗电量很小，因此非常电量很小，因此非常适合在消费类电子产适合在消费类电子产品中使用。品中使用。n n右图为指纹经过处理右图为指纹经过处理后的成像图：后的成像图：指纹识别指纹识别指纹识别指纹识别n n指纹识别所需电容传感指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面当用户的手指放在上面时，金属导体阵列时，金属导体阵列/ /绝缘绝缘物物/ /皮肤就构成了相应的皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变体之间的距离不同而变化。化。
