第5章 電容傳感器

1、第5章 電容傳感器1 2022-4-52一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo) 知識目標(biāo)知識目標(biāo)（1 1）了解電容式傳感器的分類及特點。了解電容式傳感器的分類及特點。 （2 2）掌握電容式傳感器的工作原理及測量轉(zhuǎn)換電路。）掌握電容式傳感器的工作原理及測量轉(zhuǎn)換電路。（3 3）熟悉電容式傳感器在工程上的應(yīng)用。）熟悉電容式傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點和難點二、教學(xué)重點和難點1 1、重點：、重點：電容式傳感器的工作原理和應(yīng)用。電容式傳感器的工作原理和應(yīng)用。2 2、難點：、難點：電容式傳感器的測量電路。電容式傳感器的測量電路。三、教學(xué)學(xué)時三、教學(xué)學(xué)時 4 4學(xué)時學(xué)時如何檢測飲料的液位高度？5.1 電容式傳感器的

2、工作原理2022-4-540 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為 A:極板正對面積極板正對面積 d:兩極板間的距離兩極板間的距離:兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù) r ：相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)0 ：真空介電常數(shù)：真空介電常數(shù)dA 改變改變A A、d d、 三個參量中的任意一個三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量量，均可使平板電容的電容量C C 改變。改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。類型的電容傳感器。 2022-4-55變極距變極距(）型）型: (g) 、（、（h）變面積型變面積型

3、(A)型型: (a)、(b)、(c)、(d)、 (e) 、(f)、變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 5.1.15.1.1變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器2022-4-571 1、工作原理：被測對象通過移動極板引起電容、工作原理：被測對象通過移動極板引起電容兩極板的正對面積發(fā)生變化，從而改變電容。兩極板的正對面積發(fā)生變化，從而改變電容。2 2、種類、種類（a a）角位移式電容傳感器）角位移式電容傳感器 （b) b) 平行板直線位移式平行板直線位移式（c) c) 圓柱型位移式圓柱型位移式5.1.1變面積式電容傳感器2022-4-58（a a）角位移式電容傳感器）角位移式電容傳感器

4、 圖圖5-3 5-3 變面積式電容傳感器的原理圖變面積式電容傳感器的原理圖0r0(1)(1)ACCd 00CCCC 兩極板間的電容：兩極板間的電容： 電容的變化量為：電容的變化量為： 圖圖a是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度時，兩度時，兩極板的遮蓋面積極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨就減小，因而電容量也隨之減小。之減小。（b b）直線位移式電容傳感器）直線位移式電容傳感器*100rx0()(1)ax bxCCda x00 xCCCCa 兩極板間的電容：兩極板間的電容： 電容的變化量為：電容的變化量

5、為： 圖圖b b是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1 1可以左右移動，稱為動極板。極板可以左右移動，稱為動極板。極板2 2固定固定不動，稱為定極板。不動，稱為定極板。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。測直線位移、角位移、尺寸等參量。 2022-4-5125.1.25.1.2變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移時，當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移時

6、，改變了兩極板之間的距離改變了兩極板之間的距離d d，從而使電容量，從而使電容量發(fā)生變化發(fā)生變化。 2022-4-513 實際使用時，總是使初始極距實際使用時，總是使初始極距d d0 0盡量盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。距式電容器的行程較小的缺點。電容的變化量為：電容的變化量為：兩極板間的電容：兩極板間的電容： 00r00d020200(1)11dCACdCCCdddddd dd若若 /d01，則，則1（ /d0）21，即，即d00(1)dCCdd00dCCCC0d*14變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特

7、性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d d0 0小些小些還是大些？還是大些？15 a a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1 1定極板定極板 2 2動極板動極板 *16圖圖5-6 5-6 差動平板式電容傳感器原理圖差動平板式電容傳感器原理圖 00d1d2C1C2S*差動的好處差動的好處靈敏度得到一倍的改善靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善線性度得到改善抵消外界的影響抵消外界的影響17*5.1.35.1.3變介電常數(shù)式變介電常數(shù)式 因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所

8、以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。量也就不同。18表表5-1 5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)*18變介電常數(shù)式電容傳感器的用途變介電常數(shù)式電容傳感器的用途 根據(jù)表根據(jù)表5-15-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量可以用于測量什么非電量？2022-4-519圖圖5-7 5-7 變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖變介電常

9、數(shù)式電容傳感器的原理圖5.2 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路5.2.1 橋式電路 1.單臂橋式電路（a a）單臂橋式電路）單臂橋式電路圖圖5-8 5-8 電容式傳感器的橋式電路電容式傳感器的橋式電路1x23=CCCC平衡條件：平衡條件：212.差動橋式電路 （b）差動橋式電路圖 5-8 電容式傳感器的橋式電路() ()() ()00o000022222-+=-=-+CCCC UCUCUUCCCCCC差動橋式電路的輸出電壓差動橋式電路的輸出電壓U Uo o與電容的變化量與電容的變化量 呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 C225.2.25.2.2調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感

10、器作為 LC LC 振蕩器諧振回振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時，電容路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時，電容C C0 0 發(fā)生變化，發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率就使振蕩器的頻率 f f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 2022-4-523 電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？何區(qū)別？式中哪些量是變量？12=fLC圖圖5-9 5-9 調(diào)頻電路的原理圖調(diào)頻電路的原理圖24當(dāng)被測信號為零時，當(dāng)被測信號為零時，調(diào)頻振蕩器的固有頻率調(diào)頻振蕩器的固有頻率（一般應(yīng)選在（一般應(yīng)選在1 MHz1 MHz以下）為以下）為001c12()=+

11、fL CCC振蕩電路的總電容一般包括電容式傳感器的振蕩電路的總電容一般包括電容式傳感器的電容電容 、諧振電路中的固有電容、諧振電路中的固有電容C C1 1和電纜電容和電纜電容C Cc c。 0CC25當(dāng)被測信號不為零時，當(dāng)被測信號不為零時， 0，調(diào)頻振蕩，調(diào)頻振蕩器的頻率器的頻率 C001c12()=+ffL CCCC 調(diào)頻振蕩器輸出的高頻電壓將是一個受調(diào)頻振蕩器輸出的高頻電壓將是一個受被測信號調(diào)制的調(diào)制波。被測信號調(diào)制的調(diào)制波。 用調(diào)頻系統(tǒng)作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路主要有用調(diào)頻系統(tǒng)作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路主要有以下特點：以下特點：（1 1）靈敏度高，）靈敏度高，抗外來干擾能力強(qiáng)?？?/p>

12、外來干擾能力強(qiáng)。（2 2）特性穩(wěn)定特性穩(wěn)定。（3 3）能取得高電平的直流信號（伏特數(shù)量級）能取得高電平的直流信號（伏特數(shù)量級）。（4 4）因為是頻率輸出，所以易用于數(shù)字儀器和計算機(jī)接）因為是頻率輸出，所以易用于數(shù)字儀器和計算機(jī)接口?？?。（5 5）受電纜電容、溫度變化影響較大，輸出電壓與被測）受電纜電容、溫度變化影響較大，輸出電壓與被測量的特性曲線是非線性的，需要矯正電路進(jìn)行矯正，量的特性曲線是非線性的，需要矯正電路進(jìn)行矯正，電路比較復(fù)雜。電路比較復(fù)雜。275.2.3 運算放大器電路運算放大器電路由于運算放大器電路的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗很高，由于運算放大器電路的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗很高，輸出

13、電阻小，因而采用運算放大器電路作為電容式傳輸出電阻小，因而采用運算放大器電路作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路是比較理想的。感器的測量轉(zhuǎn)換電路是比較理想的。圖圖5-10 5-10 運算放大器電路的原理圖運算放大器電路的原理圖28由運算放大器電路的工作原理可得由運算放大器電路的工作原理可得oix販= -CUUCoie販= -CUdUA29輸出電壓與極距輸出電壓與極距d成成線性關(guān)系線性關(guān)系運算放大電路測量特點運算放大電路測量特點1 1、優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，線性誤差小。：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，線性誤差小。2 2、缺點缺點：加入：加入“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”消除電纜電容的同時會消除電纜電容的同時會導(dǎo)致

14、電路更加復(fù)雜。導(dǎo)致電路更加復(fù)雜。5.2.4 二極管雙二極管雙T形電橋電路形電橋電路圖圖5-11 二極管雙二極管雙T形電橋電路的原理圖形電橋電路的原理圖31當(dāng)R1=R2=R,C1=C2R1=R2=R,C1=C2，流經(jīng)RL的電流i1和i2大小相等，方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零，RLRL無電壓信號輸出無電壓信號輸出；當(dāng)C1C1和和C2C2變化時變化時，則在一周內(nèi)流過RL的平均電流不為零，RLRL電壓信號輸出電壓信號輸出，輸出電壓反映電容的變化。若若C C1 1或或C C2 2變化，則在一周期內(nèi)流過變化，則在一周期內(nèi)流過R RL L的平均電流不為零，的平均電流不為零，因此，有電壓信號輸

15、出，輸出電壓在一個周期內(nèi)的平因此，有電壓信號輸出，輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值為均值為 33o12()=-UKUf CCLL2L(2)()R RRRKRR當(dāng)當(dāng) 為已知時，為已知時，則則 為一常數(shù)，為一常數(shù)，故上式又可寫成故上式又可寫成 LR5.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個因素影響，即：電容器的容量受三個因素影響，即：極距極距x x、相對面積、相對面積A A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固。固定其中兩個變定其中兩個變 量，電容量量，電容量C C 就是另一個變就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積

16、、介電常數(shù)的變化，就可換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達(dá)到非電量以通過測量電容量這個電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的。電測的目的。 2022-4-5355.3.1 電容測厚儀電容測厚儀圖圖5-12 電容測厚儀的工作原理電容測厚儀的工作原理1被測金屬帶材；被測金屬帶材； 2定極板；定極板； 3導(dǎo)向輪；導(dǎo)向輪； 4軋輥軋輥36在被測金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊在被測金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面面積相等、與帶材距離相等積相等、與帶材距離相等的極板，這樣，的極板，這樣，極板與帶材就形成了兩個電容器。把兩塊極板與帶材就形成了兩個電容器。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來就成為一個極

17、板，而極板用導(dǎo)線連接起來就成為一個極板，而金屬帶材就是電容的另一個極板，其總電金屬帶材就是電容的另一個極板，其總電容容CX=C1+C2=2CCX=C1+C2=2C。如果。如果帶材厚度發(fā)生變化，帶材厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化則引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙?，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘷z測出來，經(jīng)過放大，即可由顯示的變化檢測出來，經(jīng)過放大，即可由顯示儀表顯示出帶材厚度的變化。使用上、下儀表顯示出帶材厚度的變化。使用上、下兩個極板，是為了兩個極板，是為了克服帶材在傳輸過程中克服帶材在傳輸過程中的上下波動帶來的誤差。的上下波動帶來的誤差。2022-4-5375.3.2 電容式壓力傳感器電容式壓力

18、傳感器圖圖5-13 差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖38電容式差壓變送器 2022-4-539高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼內(nèi)部不銹鋼膜片的位置膜片的位置5.3.3 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 （a） （b） 圖圖5-14 電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖40硅微加工加速度傳感器硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓力

19、或重力加速度。其工作電壓為為2.72.75.25V5.25V，加速度測量范，加速度測量范圍為數(shù)個圍為數(shù)個g g，可輸出與加速度，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的正比于加速度的PWM 脈沖。脈沖。 PWM:PWM:脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制2022-4-541硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測加速度測試單元試單元 2 2信號處理信號處理電路電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶底層多晶硅（下電極）硅（下電極） 5 5多晶硅懸多晶硅懸臂梁臂梁 6 6頂層多晶頂層多晶硅（上電極）硅（上電極）2022-4-542 利用微電子加工

20、技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振動時，當(dāng)它感受到上下振動時，C C1 1、C C2 2呈差動變化。與加速度測呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將

21、試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)達(dá)1kHz1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 10g 以上。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。就可以測量三維方向的振動或加速度。2022-4-543加速度傳感器在汽車中的應(yīng)

22、用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器微處理器據(jù)此判據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。頭部。 2022-4-5裝有傳感器的假人裝有傳感器的假人氣囊氣囊44汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用2022-4-5455.3.4 油箱油量檢測系統(tǒng)油箱油量檢測系統(tǒng)機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表：2022-

23、4-5 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油位器，由電流表指示出油量。量。46電容式油量表2022-4-547該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？47 當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為留在轉(zhuǎn)角為 m m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量電容傳感器的電容量CxCx減小，電橋失去平減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)衡，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時帶動（示值減小），同時帶動RPRP的滑動臂移動。的滑動臂移動。當(dāng)當(dāng)RPRP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在平衡狀態(tài)，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（新的位置（ x x 處）。處）。飲料包裝中的液位檢測5.3