傳感器與檢測(cè)技術(shù) 第四章

1、第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1傳感器的工作原理及類(lèi)型傳感器的工作原理及類(lèi)型4.2電容傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性電容傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性4.3電容傳感器的特性等效電路電容傳感器的特性等效電路4.4電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)下頁(yè)下頁(yè)返回返回4.1 電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型 電容式傳感器是將被測(cè)量電容式傳感器是將被測(cè)量( (如尺寸、壓力等如尺寸、壓力等) )的變化的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的轉(zhuǎn)換成電容量變化的-種傳感器。種傳感器。

2、一、工作原理一、工作原理 由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器，由物理學(xué)可知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回dSdSCr0式中式中 - - 兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； r r - - 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0 0 - - 真空介電常數(shù)（真空介電常數(shù)（0 0 =8.85 =8.851010-12-12F/mF/m）；）； s - s - 兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；兩個(gè)極板相對(duì)有效面積； d - d - 兩個(gè)極板間的距離兩個(gè)極板間的距離下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 由上

3、式可知，改變電容由上式可知，改變電容C C的方法有三種：的方法有三種： 改變介質(zhì)的介電常數(shù)改變介質(zhì)的介電常數(shù)； 改變形成電容的有效面積改變形成電容的有效面積S S； 改變兩個(gè)極板間的距離改變兩個(gè)極板間的距離d d。 輸出均為電容增量輸出均為電容增量CC，故構(gòu)成電容式傳感器。，故構(gòu)成電容式傳感器。二、類(lèi)型二、類(lèi)型 三種：變極距三種：變極距d(d(或稱(chēng)變間隙）型、變面積或稱(chēng)變間隙）型、變面積s s型和變型和變 介電常數(shù)介電常數(shù)型。型。 形狀：平板形、圓柱形和球平面形三種。形狀：平板形、圓柱形和球平面形三種。圖圖4-1 變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)

4、下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖4-2 變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖4-3 變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回4.2 電容傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性電容傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回q 變極距型變極距型q 變面積型變面積型q 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型 為提高靈敏度，通常各種結(jié)構(gòu)的電容傳為提高靈敏度，通常各種結(jié)構(gòu)的電容傳感器多采用差動(dòng)形式。感器多采用差動(dòng)形式。 對(duì)于變極距型電容傳感器，為在比較大的范圍內(nèi)使用對(duì)于變極距型電容傳感器，為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間

5、的初始距離此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離 d0 ，以，以保證比值保證比值 d/d0不致過(guò)大，但會(huì)帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn)，不致過(guò)大，但會(huì)帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。作用將增加。 變面積型和變介電常數(shù)型（測(cè)厚除外）電容傳感器具變面積型和變介電常數(shù)型（測(cè)厚除外）電容傳感器具有很好的線(xiàn)性。但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)的影響仍存在有很好的線(xiàn)性。但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)的影響仍存在非線(xiàn)性問(wèn)題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。非線(xiàn)性問(wèn)題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回4.3 電容傳感器

6、的等效電路電容傳感器的等效電路4.3.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn) 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 本身發(fā)熱小，本身發(fā)熱小，溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)； 介質(zhì)損失小，介質(zhì)損失小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 輸出阻抗高，負(fù)載能力差；輸出阻抗高，負(fù)載能力差； 寄生電容影響大；寄生電容影響大； 輸出特性非線(xiàn)性輸出特性非線(xiàn)性 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回4.3.2 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 LCCCe21圖圖4-4 電容式傳感器的

7、等效電路電容式傳感器的等效電路對(duì)高頻有：對(duì)高頻有：4.4 電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)一、保證絕緣材料的絕緣性能一、保證絕緣材料的絕緣性能 必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。能。二、消除和減小邊緣效應(yīng)二、消除和減小邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線(xiàn)性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。而且產(chǎn)生非線(xiàn)性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖4-5 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖帶有等位環(huán)的平板

8、電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 三、消除和減小寄生電容的影響三、消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它。影響儀器的精度，必須消除和減小它。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 增加原始電容值可減小寄生電容的影響。增加原始電容值可減小寄生電容的影響。 注意傳感器的接地和屏蔽。注意傳感器的接地和屏蔽。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回消除和減小寄生電容可采用如下方法消除和減小寄生電容可采用如下方法：圖圖4-6 接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖接地

9、屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖將傳感器與電子線(xiàn)路的前置級(jí)（集成化）裝在將傳感器與電子線(xiàn)路的前置級(jí)（集成化）裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級(jí)的電纜。一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級(jí)的電纜。采用采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)（也稱(chēng)技術(shù)（也稱(chēng)“雙層屏蔽等位雙層屏蔽等位傳輸傳輸”技術(shù)）。技術(shù)）。 圖圖4-7 “驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)電原理圖技術(shù)電原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 采用運(yùn)算放大器法采用運(yùn)算放大器法 圖圖4-8 運(yùn)算放大器法電原理圖運(yùn)算放大器法電原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 整體屏蔽法整體屏蔽法 圖圖4-9 兩個(gè)整體屏蔽法例子兩個(gè)整體屏蔽法例子下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 屏蔽和接地。屏蔽和接地。

10、增加原始電容值以降低容抗。增加原始電容值以降低容抗。 導(dǎo)線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線(xiàn)間分布電容的靜電感導(dǎo)線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線(xiàn)間分布電容的靜電感應(yīng)。導(dǎo)線(xiàn)要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列應(yīng)。導(dǎo)線(xiàn)要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線(xiàn)。時(shí)可采用同軸屏蔽線(xiàn)。 盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)按地。地線(xiàn)要用粗的良導(dǎo)體盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)按地。地線(xiàn)要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€(xiàn)?；?qū)捰∷⒕€(xiàn)。 盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線(xiàn)性誤差，提盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線(xiàn)性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。 下頁(yè)下頁(yè)

11、上頁(yè)上頁(yè)返回返回四、防止和減小外界干擾四、防止和減小外界干擾4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)C，從而使信號(hào)能傳輸、，從而使信號(hào)能傳輸、放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測(cè)放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測(cè)量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。 同時(shí)，還根據(jù)需要將電路同時(shí)，還根據(jù)需要將電路參數(shù)參數(shù)C進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。 電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路種類(lèi)很多，一般歸結(jié)為兩大類(lèi)：電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路種類(lèi)很多，一般歸結(jié)為兩大類(lèi)： 調(diào)制

12、型調(diào)制型 脈沖型脈沖型(或稱(chēng)為電容充放電器或稱(chēng)為電容充放電器)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回一、調(diào)制型電路一、調(diào)制型電路 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖4-10 調(diào)頻電路調(diào)頻電路CCLff0021下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：1.靈敏度高，可測(cè)靈敏度高，可測(cè)0.01pf的變化量；的變化量；2.抗干擾性強(qiáng)；抗干擾性強(qiáng)；3.特性穩(wěn)定；特性穩(wěn)定；4.能取得高電平的直流信號(hào)（能取得高電平的直流信號(hào)（V級(jí)）；級(jí)）；5.f受溫度和電纜電容影響大受溫度和電纜電容影響大調(diào)幅電路調(diào)幅電路 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 變壓器電橋變壓器電橋（a）單臂接法）單臂接法 （b）差動(dòng)接法）差動(dòng)接法下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返

13、回電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：1.電路簡(jiǎn)單；電路簡(jiǎn)單；2.電橋輸出調(diào)幅波，故要求電源電壓波動(dòng)電橋輸出調(diào)幅波，故要求電源電壓波動(dòng)小，需穩(wěn)幅、穩(wěn)頻；小，需穩(wěn)幅、穩(wěn)頻；3.調(diào)整復(fù)雜，不方便；調(diào)整復(fù)雜，不方便；4.輸出阻抗高，輸出電壓低，需接高放大輸出阻抗高，輸出電壓低，需接高放大倍數(shù)處理電路倍數(shù)處理電路o1/(j)1/(j)xxCCUUUCC 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回二、脈沖型電路二、脈沖型電路 脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好，較常用電容的充放電。兩種性能較好，較常用的電路為：的電路為： 雙雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)型充放電網(wǎng)絡(luò) 下頁(yè)

14、下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回)()()2(212CCUfRRRRRRULLLO 脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路圖圖4-16 脈沖調(diào)寬型電路原理圖脈沖調(diào)寬型電路原理圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖4-17 各點(diǎn)電壓波形圖各點(diǎn)電壓波形圖4.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線(xiàn)位移、角位移，電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線(xiàn)位移、角位移，振動(dòng)振幅（測(cè)至振動(dòng)振幅（測(cè)至0.05m的微小振幅），尤其適的微小振幅），尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、速度

15、等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回n 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；分優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；分辨率高；溫度穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量、辨率高；溫度穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量、具有平均效應(yīng)。具有平均效應(yīng)。n 不足：輸出阻抗高，負(fù)載能力差等。不足：輸出阻抗高，

16、負(fù)載能力差等。l 特點(diǎn)特點(diǎn)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖圖4-19 差動(dòng)式電容壓力傳感器差動(dòng)式電容壓力傳感器上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖圖4-21 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)電容式液位傳感器電容式液位傳感器l 非導(dǎo)電介質(zhì)非導(dǎo)電介質(zhì))/ln(2)/ln()(210rRxrRxhCxrRCxhrR)()/ln(2)()/ln(2010010l 導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電介質(zhì)n 傳感器極板與被測(cè)介質(zhì)絕緣傳感器極板與被測(cè)介質(zhì)絕緣n 容器和液體為一個(gè)電極；容器和液體為一個(gè)電極； 插入金屬電極為令一個(gè)電極；插入金屬電極為令一個(gè)電極； 絕緣套管為中間

17、介質(zhì)絕緣套管為中間介質(zhì)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)（a）棒式探極）棒式探極 （b）同軸探極）同軸探極 （c）纜式探極）纜式探極圖圖4-24 幾類(lèi)常見(jiàn)的電容式液位傳感器幾類(lèi)常見(jiàn)的電容式液位傳感器油箱液位檢測(cè)油箱液位檢測(cè)電容式限位儀電容式限位儀l 該種傳感器是屬于變介質(zhì)型電容傳感器，主要利該種傳感器是屬于變介質(zhì)型電容傳感器，主要利用電容器的中間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度變化而改用電容器的中間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度變化而改變的原理進(jìn)行測(cè)量。變的原理進(jìn)行測(cè)量。n 以以BaSrTiO3BaSrTiO3為主的陶瓷電容為主的陶瓷電容器，其介電常數(shù)在溫度超過(guò)居里器，其介電常數(shù)在溫度超過(guò)居里點(diǎn)之后，會(huì)隨著溫度的上升成反點(diǎn)之

18、后，會(huì)隨著溫度的上升成反比的下降，如圖所示。若將這種比的下降，如圖所示。若將這種電容器與電感組成諧振回路，則電容器與電感組成諧振回路，則其諧振頻率會(huì)有規(guī)律地隨溫度變其諧振頻率會(huì)有規(guī)律地隨溫度變化。用頻率計(jì)測(cè)出其頻率，經(jīng)過(guò)化。用頻率計(jì)測(cè)出其頻率，經(jīng)過(guò)換算可求得溫度。換算可求得溫度。電容式溫度傳感器電容式溫度傳感器上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖圖4-23 電容式振動(dòng)位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式振動(dòng)位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖圖4-24 電容式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用示意圖電容式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用示意圖l 接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān) 指紋識(shí)別指紋識(shí)別 (a)筆記本指紋識(shí)別筆記本指紋識(shí)別 (b)指紋識(shí)別手

19、機(jī)指紋識(shí)別手機(jī) (c)汽車(chē)防盜指紋識(shí)別汽車(chē)防盜指紋識(shí)別 電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器 （1）電容式鍵盤(pán)）電容式鍵盤(pán) 常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤(pán)的原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變鍵盤(pán)的原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，以實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換。化，以實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換。 （2）指紋識(shí)別）指紋識(shí)別指紋識(shí)別傳感器中含有指紋傳感芯片，指紋傳感芯片表面由指紋識(shí)別傳感器中含有指紋傳感芯片，指紋傳感芯片表面由若干個(gè)電容傳感器組成。若干個(gè)電容傳感器組成。當(dāng)人把手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器的另外一個(gè)電當(dāng)人把手指放在傳感器上時(shí)，手指充當(dāng)電容器的另外一個(gè)電極。由于手指上存在指紋紋路，且深淺不一致，導(dǎo)致硅表面極。由于手指