第04電容式傳感器.ppt

1、學(xué)習(xí)要求1.1.掌握電容式傳感器工作原理掌握電容式傳感器工作原理2.2.掌握電容式傳感器的分類、及它們掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點各自的特點3.3.了解電容式傳感器的測量電路了解電容式傳感器的測量電路1第四章第四章電容式傳感器電容式傳感器指紋識別傳感器圖為IBM ThinkpadT42/T43 的指紋識別傳感器2電容式指紋識別傳感器電容式指紋識別傳感器n指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。n下圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：3電容式指紋識別傳感器4電容式指紋識別傳感器n指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體

2、的陣列，其外面是一層絕緣的表面?zhèn)€金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面5電容式指紋識別傳感器n當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/ /絕緣物絕緣物/ /皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導(dǎo)體之間的距隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。離不同而變化。6電容式指紋識別傳感器它的它的優(yōu)點優(yōu)點： 體積小體積小成本低成本低成像精度高成像精度高耗電量很小，因此非常適合在消費類電耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。子產(chǎn)品中使用。74.1電容傳感器原理電

3、容傳感器原理n電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。n實際上,它本身（或和被測物）就是一個可變電容器 84.1 電容傳感器原理平行板電容器的電容為：平行板電容器的電容為： Ac (4-1)上式中，哪幾個參量是上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？類型的電容傳感器？94.2電容傳感器分類電容傳感器分類 根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：下三種：改變極板間距離改變極板間距離( () )的極距型傳感器的極距型傳感器改變極板遮蓋面積（改變極板遮蓋面積（ A）的面積型傳感器

4、）的面積型傳感器改變電介質(zhì)介電常數(shù)（改變電介質(zhì)介電常數(shù)（0 0）的介質(zhì)型傳感器）的介質(zhì)型傳感器104.2 電容傳感器分類電容式傳感器極距型面積型介質(zhì)型電容傳感器分類結(jié)構(gòu)圖如下11分類示意圖分類示意圖c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .a) a) 極距變化型極距變化型; ;+ + + +0rSSCdd+ + + + + + +4.2.1極距式電容傳感器極距式電容傳感器極距式電容傳感器當(dāng)傳感器的當(dāng)傳感器的r r和和A為常為常數(shù)數(shù), ,初始極距為初始極距為0 0時時, ,由由式式(4-1)

5、可知其初始電容可知其初始電容量量C0 0為為000Acr(4-2)+130為真空介電常數(shù)為真空介電常數(shù)r為相對介電常數(shù)為相對介電常數(shù)4.2.1極距式電容傳感器極距式電容傳感器若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值0 0縮小縮小, , 電容量增大電容量增大C, , 則有則有 000000100000000001)1 ()(CCCCCCAAACCCrrr1401CC4.2.1極距式電容傳感器極距式電容傳感器 由前式可知由前式可知, , 傳感器的輸出特性傳感器的輸出特性C = f ( () )不是線性關(guān)系不是線性關(guān)系, ,而是雙曲線關(guān)系而是雙曲線關(guān)系 此時此時C1與與近似呈線性關(guān)系近似

6、呈線性關(guān)系, , 所以變極所以變極距型電容式傳感器只有在距型電容式傳感器只有在 / / 0 0很小很小時時, , 才有近似的線性輸出才有近似的線性輸出15時，展開為級數(shù)形式時，展開為級數(shù)形式 2301CC1因因，忽略高次項，忽略高次項 0CC1 上式表明，在上式表明，在 條件下，電容的變化與極板條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。間距變化量近似是線性關(guān)系。 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙，但受電容器擊穿電壓的，但受電容器擊穿電壓的限制限制. .為此為此, , 極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)；等）作介

7、質(zhì)； 非線性隨相對位移的增加而增加，為保證一定的線性度，非線性隨相對位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應(yīng)限制動極板的相對位移量。應(yīng)限制動極板的相對位移量。 為改善非線性，可以采用差動式。為改善非線性，可以采用差動式。0.02 0.1C1C1C2C2 動極板上移動極板上移 ，則，則C1C1增大，增大，C2C2減小，初始電容用減小，初始電容用C0C0來表示，來表示，則則 ：23101dddCCddd23201CC差動電容器輸出：差動電容器輸出：312022CCCC忽略高次項：忽略高次項： 02CC 靈敏度提高一倍，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。非線性誤差減小。4.2.1極距式電容傳感器極距式

8、電容傳感器u加入云母片時電容加入云母片時電容C變?yōu)樽優(yōu)? :000ggAC式中式中: g云母的相對介電常數(shù)云母的相對介電常數(shù),g= 7 0空氣的介電常數(shù)空氣的介電常數(shù), 0= 1 空氣隙厚度空氣隙厚度 云母片的厚度云母片的厚度190g4.2.1 極距式電容傳感器云母片的相對介電常數(shù)是空氣的云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍倍, , 其擊穿電壓不小于其擊穿電壓不小于10001000kV/mm, , 而空氣的僅為而空氣的僅為3 3kV/mm。因此有了云母片。因此有了云母片, , 極板間起始距離可大大減小。極板間起始距離可大大減小。同時同時, , 式中的式中的( ( / /0 0g g) )項是恒定值

9、項是恒定值, , 它能使傳感器的輸出特性的線它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。性度得到改善。一般變極板間距離電容式傳感器一般變極板間距離電容式傳感器起始電容在起始電容在20100pF之間之間,極板間距離在極板間距離在25200m的范圍內(nèi)的范圍內(nèi),最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測量中應(yīng)用最廣故在微位移測量中應(yīng)用最廣20g4.2.2變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移型角位移型和和線位移線位移型型兩種。兩種。圖為典型的角位移型電容式傳感器圖為典型的角位移型電容式傳感器當(dāng)

10、動板有一轉(zhuǎn)角時，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。導(dǎo)致電容量變化。+214.2.2變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器n當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為當(dāng)覆蓋面積對應(yīng)的中心角為a、極板半徑為、極板半徑為r時，覆蓋面積為時，覆蓋面積為 s=ar2/2，電，電容量為容量為 ：n其靈敏度為：其靈敏度為：220arcr常數(shù)220rdadCdr224.2.2變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器n線位移型電容式傳感器平面線位移型和圓柱線位移型兩種。234.2.2變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器n對于平面線位移型電容式傳

11、感器，當(dāng)寬度為對于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動板沿箭頭的動板沿箭頭x方向移動時，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化方向移動時，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化n電容量為：電容量為：24b ba ax x0.().b axbCCx0bCCCx 其靈敏度為其靈敏度為 ：0()CCbkxa4.2.2 變面積型電容式傳感器n對于圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長度x變化時，電容量也隨之變化n其電容為：)/ln(212rrxC（4-8）式中 x外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長度； r1、r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑其靈敏度為：常數(shù))/ln(212rrdxdCk25線位移線位

12、移角位移角位移單組式單組式差動式差動式)ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC021212)ln(2)ln()(2)(ln21 平板結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)平板結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)。構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)?？梢娮兠娣e式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)?？梢娮兠娣e式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。增大初始電容增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；可以提高傳感器的靈敏度；極板寬度極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場影的

13、大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場影響增大，非線性將增大；響增大，非線性將增大；X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會使傳感器特性產(chǎn)生非線性變變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化?；?。（因為以上的推導(dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進行的）。（因為以上的推導(dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進行的）。4.2.3變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器28（主要測量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）（主要測量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）x xh h2r2r2R2R類型類型1 1： 被測液體的液面在電容式傳被測液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心圓柱型電極間感器元件的兩同心圓柱型電極間變化時

14、，引起極間不同介電常數(shù)變化時，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。變。 1 1液體介質(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)介電常數(shù)；0 0空氣中介電常數(shù)（空氣中介電常數(shù)（F/mF/m）；）； h h電極板總長度（電極板總長度（m m）；）； r r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m m）；）； R R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m m）；）； x x液面高度（液面高度（m m）。）。 可見，輸出電容可見，輸出電容C C與液面高度與液面高度 x x 成成線性關(guān)系。線性關(guān)系。01022()lnlnhxCRRrr 液面高度液面高度0 01 1類型類型2 2：d d面積面積S S

15、氣隙氣隙0r 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運動時，電容定極板間運動時，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：關(guān)系為：0rSCddd d 運動介質(zhì)的厚度（運動介質(zhì)的厚度（m m）可見：可見： 若厚度若厚度 d d 保持不變，介電常數(shù)保持不變，介電常數(shù)rr 改變（如濕度變改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；化），可做成濕度傳感器； 若若rr不變，可做成測厚傳感器不變，可做成測厚傳感器 Harbin Institute of Technology 生活的樂趣在于把簡單的事情搞復(fù)雜！Harbin Institute of Technology Harbin Institut

16、e of Technology Harbin Institute of Technology Harbin Institute of Technology Harbin Institute of Technology Harbin Institute of Technology 4.3電容式傳感器的常用測量電路電容式傳感器的常用測量電路用于電容式傳感器的測量電路很多用于電容式傳感器的測量電路很多, ,常見常見的電路有的電路有: :運算放大器測量電路運算放大器測量電路雙雙T T電橋電路電橋電路此外電容式傳感器的測量電路還有普通此外電容式傳感器的測量電路還有普通交流電橋電路、變壓器電橋電路和緊耦交

17、流電橋電路、變壓器電橋電路和緊耦合電感臂電橋電路等合電感臂電橋電路等調(diào)頻電路調(diào)頻電路脈沖調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路37 測量線路是電容傳感器的一個重要組成部測量線路是電容傳感器的一個重要組成部分，其主要作用為：分，其主要作用為： 給電極提供一個合適的激勵源，以便在形成給電極提供一個合適的激勵源，以便在形成的電場中實現(xiàn)能量變換；的電場中實現(xiàn)能量變換； 檢測出電場能量的變化，形成可供實用的電檢測出電場能量的變化，形成可供實用的電信號；信號； 在可能條件下，實現(xiàn)傳感器特性的線性化處在可能條件下，實現(xiàn)傳感器特性的線性化處理與信號變換。理與信號變換。 4.3電容式傳感器的常用測量電路電容式傳感器的常用測量電路

18、電容傳感器等效電路電容傳感器等效電路 圖中圖中C為傳感器電容，為傳感器電容，RP為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗，板間漏電和介質(zhì)損耗，Rs為高頻、高溫、高頻激勵工作時的為高頻、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感；為電容器及引線電感；CP為寄生電容，克服其影響是提高電為寄生電容，克服其影響是提高電容傳感器實用性能的關(guān)鍵之一。下面專門討論?？梢娫趯嶋H應(yīng)容傳感器實用性能的關(guān)鍵之一。下面專門討論?？梢娫趯嶋H應(yīng)用中，特別在高頻激勵時，尤需要考慮用中

19、，特別在高頻激勵時，尤需要考慮L的存在，會使傳感器的存在，會使傳感器有效電容改變，從而引起傳感器有效靈敏度的改變。在這種情有效電容改變，從而引起傳感器有效靈敏度的改變。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定。統(tǒng)重新進行標(biāo)定。 一、交流電橋電路一、交流電橋電路 V VZ1Z1Z2Z2Z3Z3Z4Z4 V V 將電容傳感器接入電橋的一個臂，將電容傳感器接入電橋的一個臂，不平衡電橋輸出：不平衡電橋輸出：3121242121234()ZZ ZZZZVVZZZZZZ 為使橋路平衡，在四個橋臂上必須接入兩個電容（一

20、個單極電容傳感為使橋路平衡，在四個橋臂上必須接入兩個電容（一個單極電容傳感器和一個固定電容，或接入差動電容傳感器）。另外兩個橋臂接入其他器和一個固定電容，或接入差動電容傳感器）。另外兩個橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個電阻、兩個電感或是兩個電容。當(dāng)橋臂上接入不同阻抗元件，如：兩個電阻、兩個電感或是兩個電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時，電路的靈敏度不同，一般有的阻抗元件時，電路的靈敏度不同，一般有0.250.25、0.50.5、1 1，輸出信號相，輸出信號相移有移有0 0、9090、180180。 電路的主要特點：電路的主要特點： 必須接成差動形式使用；必須接成差動形式使用； 電橋的交流激勵源的

21、幅值和頻率要穩(wěn)定；電橋的交流激勵源的幅值和頻率要穩(wěn)定； 要求后續(xù)電路輸入阻抗無限大。要求后續(xù)電路輸入阻抗無限大。二、差動脈沖寬度調(diào)制電路 差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。其基本出發(fā)點是構(gòu)成一個頻率穩(wěn)定的方波發(fā)化。其基本出發(fā)點是構(gòu)成一個頻率穩(wěn)定的方波發(fā)生器，以電容變化來調(diào)節(jié)占空比，由此引起平均生器，以電容變化來調(diào)節(jié)占空比，由此引起平均直流分量的變化。直流分量的變化。 雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器R2R2A1A1A2A2VD1VD1R1R1uABuABC2C2C1C1

22、Q QQ Q A AG GB BF FU UR R比較器比較器循循環(huán)環(huán)工工作作VD2VD2U0平均值為零平均值為零U0平均值不為零平均值不為零1211121212110uTTTTuTTTuTTTuuuBAruuuCRT11111lnruuuCRT11222ln設(shè)設(shè)R R1 1=R=R2 2與電容差值成正比與電容差值成正比121210uCCCCu反相放大電路反相放大電路反饋元件是傳感器電容反饋元件是傳感器電容CxC是固定電容是固定電容電源電壓電源電壓u理想運放理想運放uCCuCjCjuxx)/(1)/(10將將/SCx代入代入SuCu0輸出電壓與電容極板間距輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，從原

23、理上保成線性關(guān)系，從原理上保證了變極距型電容傳感器證了變極距型電容傳感器的線性。的線性。三、運算放大器式電路三、運算放大器式電路這種線路的最大特點是從原理上克服單個變間隙電容式傳感器的非線性，使這種線路的最大特點是從原理上克服單個變間隙電容式傳感器的非線性，使輸出與輸入動極板位移成線性關(guān)系。輸出與輸入動極板位移成線性關(guān)系。 l 電容傳感器的特點電容傳感器的特點v優(yōu)點優(yōu)點:1、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無關(guān)，有利于、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電

24、極材料選用鐵鎳合金，近年來又采用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝。鎳合金，近年來又采用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝。2、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強輻適應(yīng)性強：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強輻射，強磁場等惡劣環(huán)境中工作。射，強磁場等惡劣環(huán)境中工作。3、動態(tài)響應(yīng)好：可動部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很、動態(tài)響應(yīng)好：可動部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很高。動態(tài)響應(yīng)好。可測量振動、瞬時壓力等。高。動態(tài)響應(yīng)好?？蓽y量振動、瞬時壓力等。4、可以實現(xiàn)非接觸測量、可以實現(xiàn)非接觸測量,具有平均效應(yīng)：非接觸測量回轉(zhuǎn)工件的偏心具有平均效應(yīng)：非接觸

25、測量回轉(zhuǎn)工件的偏心、振動等參數(shù)時，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對測、振動等參數(shù)時，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對測量的影響。量的影響。5、耗能低、耗能低4.4影響電容式傳感器精度的因素影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施及提高精度的措施v缺點缺點:1、輸出阻抗高，負載能力差：電容值一般為幾十到幾百、輸出阻抗高，負載能力差：電容值一般為幾十到幾百皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對絕緣部分的皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對絕緣部分的要求較高（幾十兆歐以上）。要求較高（幾十兆歐以上）。2、寄生電容影響大：由于電容傳感器的初始電容值一般、寄生電容影響大：由于電容

26、傳感器的初始電容值一般較小，而連接傳感器的引線電纜電容（較小，而連接傳感器的引線電纜電容（12m導(dǎo)線可達到導(dǎo)線可達到800pF），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的“寄生電寄生電容容”卻較大。這些電容一般是隨機變化的，將使儀器工卻較大。這些電容一般是隨機變化的，將使儀器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。因此，在設(shè)計和制作時要采作不穩(wěn)定，影響測量精度。因此，在設(shè)計和制作時要采取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。 一、溫度對電容式傳感器的影響一、溫度對電容式傳感器的影響 環(huán)境溫度的改變將引起電容式變換器各零件幾何尺寸的環(huán)境溫度的改變將引

27、起電容式變換器各零件幾何尺寸的改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，產(chǎn)生附加電產(chǎn)生附加電容變化容變化。這一點對于變間隙電容式傳感器來說更顯重要，因。這一點對于變間隙電容式傳感器來說更顯重要，因為初始間隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化為初始間隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對本來就很小的間隙產(chǎn)生很大使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對本來就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對變化，從而的相對變化，從而引起很大的特性溫度誤差。引起很大的特性溫度誤差。 為減小這種誤差為減小這種誤差 一般盡量選取一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系

28、數(shù)穩(wěn)定的材料溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來代替。金屬膜來代替。 采用差動對稱結(jié)構(gòu)，并在測量線路中對溫度誤差加以補采用差動對稱結(jié)構(gòu)，并在測量線路中對溫度誤差加以補償。償。 溫度變化對介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度變化對介質(zhì)介電常數(shù)的影響 使傳感器電容改變，帶來溫度誤差。溫度對介電常使傳感器電容改變，帶來溫度誤差。溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。 這種溫度誤差可

29、用后接的測量線路進行一定的補償這種溫度誤差可用后接的測量線路進行一定的補償，而完全消除是困難的。，而完全消除是困難的。 二、漏電阻的影響（絕緣性能）二、漏電阻的影響（絕緣性能） 電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵電壓頻率電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵電壓頻率較低時，在與測量線路配接時，當(dāng)兩極板間總的漏電阻若較低時，在與測量線路配接時，當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與容抗相近，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響與容抗相近，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響。 這主要是這主要是采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)加以解決。加以解決。 三、邊緣效應(yīng)與寄生參

30、量的影響三、邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響 1 1、邊緣效應(yīng)、邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計算的一種假定。圍成的空間，這僅是簡化電容量計算的一種假定。 當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個附加電容，引起了傳感器靈敏相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。度下降和非線性增加。 為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量C0C0，即增大，即增大極板面積，

31、減小極板間隙。極板面積，減小極板間隙。 在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。 均勻電場均勻電場等位環(huán)等位環(huán)電極電極電極電極邊邊緣緣電電場場邊邊緣緣電電場場原理：原理：等位環(huán)安放在上面電極等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場基本均力線平直，兩極間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外周不影響工作。等位環(huán)的外周不影響工作。 2 2、寄生參量、寄生參量 一般電容傳感器電容值很小，如果激勵頻率較低，則電容傳感器一般電容傳感器電容值

32、很小，如果激勵頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電的容抗很大，因此對傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會帶來很大的影響。容極板并聯(lián)的寄生電容也會帶來很大的影響。 增加原始電容值增加原始電容值注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）將傳感器與電子線路的前置級裝在將傳感器與電子線路的前置級裝在一個殼體內(nèi)（集成化）一個殼體內(nèi)（集成化）減小寄生電容的方法減小寄生電容的方法測量電路測量電路前置級前置級+ +1:11:1內(nèi)層屏蔽內(nèi)層屏蔽外層屏蔽外層屏蔽CxCx 在電容傳感器與測量線路前置在電容傳感器與測量線路前

33、置極間極間采用雙層屏蔽電纜采用雙層屏蔽電纜。這種接法。這種接法使使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位位，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性，消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時放大器的高輸入阻抗又起到。同時放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。阻抗匹配的作用。采用采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)技術(shù)等電位屏蔽法等電位屏蔽法采用運算放大器法采用運算放大器法 所謂整體屏蔽是將整個所謂整體屏蔽是將整個電橋電橋(包括電源、電纜等）包括電源、電纜等）統(tǒng)一屏蔽起來，其關(guān)鍵在統(tǒng)一屏蔽起來，其關(guān)鍵在于正確選取接地點。于正確選取接地點。u0與

34、傳感器電容相并聯(lián)的為與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容等效電容CP /CP /（1+A1+A）整體屏蔽整體屏蔽四、防止和減小外界干擾四、防止和減小外界干擾p 注意傳感器的接地和屏蔽注意傳感器的接地和屏蔽p 增加原始電容值，降低容抗增加原始電容值，降低容抗p 導(dǎo)線分布合理導(dǎo)線分布合理p 盡可能一點接地盡可能一點接地p 盡量采用差動式電容傳感器盡量采用差動式電容傳感器4.5 4.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用量程量程精度精度分辨力分辨力變極距型變極距型0.01幾百微米幾百微米0.01 m0.001 m變面積型變面積型零點幾零點幾幾百毫米幾百毫米優(yōu)于優(yōu)于0.5%0.010.001 m一、電容式

35、位移傳感器 二、電容式加速度傳感器 這里有兩個固定極板，這里有兩個固定極板，極板中間有一用彈簧支撐的極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器測量垂直方極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向上的直線加速度時，質(zhì)量向上的直線加速度時，質(zhì)量塊在絕對空間中相對靜止，塊在絕對空間中相對靜止，而兩個固定電極將相對質(zhì)量而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于被測加速度，使比于被測加速度，使c1，c2中一個增大，一個減小。中一個增大，一個減小。三、電容式壓力傳感器 工作原理工作原理將測量膜片與

36、電容極板之間的將測量膜片與電容極板之間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。換成標(biāo)準(zhǔn)信號。用用 途途用于氣體、液體、蒸氣壓力的用于氣體、液體、蒸氣壓力的測量測量高壓側(cè)進氣口高壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口電子線路電子線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器電容式差壓變送器 1 1高壓側(cè)進氣口高壓側(cè)進氣口 2 2低壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口 3 3過濾片過濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋紋隔離膜片隔離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片

37、8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 各種電容式差壓各種電容式差壓變送器外形變送器外形 法蘭法蘭利用電容差壓變送器測量液體的液位利用電容差壓變送器測量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：與液位成正比： p p = = g hg h電容差壓變送器用電容差壓變送器用于測量液體的液位于測量液體的液位 投入式水位計投入式水位計 總電容總電容C=C1+C2，帶材厚度發(fā)生變化時，帶材厚度發(fā)生變化時，C變化，帶材的振動不影響測變化，帶材的振動不影響測量精度。量精度。

38、四、電容式測厚儀 測量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對接觸測量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對接觸面無要求，總誤差較小。面無要求，總誤差較小。五、荷重傳感器（電容式電子秤）六、電容式液位計六、電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給

39、出開關(guān)量。當(dāng)液位到達它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。高電平的型號。液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達到設(shè)定值時，放開當(dāng)液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點后，即可發(fā)出報警信于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。號和控制信號。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能

40、化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工作指示燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源指示燈電源指示燈七、硅微加工加速度傳感器七、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測，加速度測量范圍為數(shù)個量范圍為數(shù)個g g，可輸出與加速，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的比正比于加速度的PWM 脈沖。脈沖。微加工三軸加速度傳感器

41、微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：靈敏度：500mV/g ，量程：量程：10g，頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點安裝諧振點:8kHz ，分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ，安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm ，線性誤差：線性誤差：1% 1% 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 加速度測試單元加速度測試單元 2 2 信號處理電路信號處理電路 3 3 襯底襯底 4 4 底層多晶硅（下底層多晶硅（下電極）電極） 5 5 多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6 頂層多晶硅（上頂層多晶硅（上電極）電極）當(dāng)它感受到上下振動時，當(dāng)它感

42、受到上下振動時，C C1 1、C C2 2呈差動變化。與呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼轉(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。由于硅的彈性滯后很小，且體內(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)可達懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達1kHz1kHz以上，允以上，允許加速度范圍可達許加速度范圍可達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

43、，就可以測量三維方向的振動或加速度。度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)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。當(dāng)測加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負加速度值超過設(shè)定值時，得的負加速度值超過設(shè)定值時，微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞據(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囊迅速充氣而膨脹，托，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頭部。住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器的假人裝有傳感器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護作用汽車氣囊的保護作用 使用加

44、速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置八、濕敏電容八、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使?jié)穸仍龃髸r，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介

45、電常數(shù)為相對介電常數(shù)為8080），所以電容量增大。），所以電容量增大。 濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型帶報警器的家庭使用型多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 九、電容式油量表九、電容式油量表 機械式油量表：機械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。油量。電容式油量

46、表電容式油量表 當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。テ胶?，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時帶動同時帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)?shù)幕瑒颖垡苿?。?dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x 處）。處）。 該油量該油量表可用于表可用于飛機油箱飛機

47、油箱十、電容式接近開關(guān)十、電容式接近開關(guān) 被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）含水的物體（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，也可；可以是接地的，也可以是不接地的。以是不接地的。 調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離?？梢愿鶕?jù)被測物不同來改變動作距離。 檢測原理：檢測原理： 在高頻振蕩型電容式接近開關(guān)中，以高頻振蕩器（在高頻振蕩型電容式接近開關(guān)中，以高頻振蕩器（LCLC振蕩器）振蕩器）中的電容作為檢測元件，利用被測物體接近該電容時由于電容器的

48、中的電容作為檢測元件，利用被測物體接近該電容時由于電容器的介質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致電容量介質(zhì)發(fā)生變化導(dǎo)致電容量C C的變化，從而引起振蕩器振幅或頻率的的變化，從而引起振蕩器振幅或頻率的變化，由傳感器的信號調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而變化，由傳感器的信號調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出，從而達到檢測的目的。達到檢測的目的。電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(guān)外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式非齊平式非齊平式接近開關(guān)的安裝接近開關(guān)的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。架，易損壞。全密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）電容接近開關(guān)的規(guī)格

49、電容接近開關(guān)的規(guī)格電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用 電容式接近開關(guān)在液位物位電容式接近開關(guān)在液位物位 測量控制中的使用測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響關(guān)動作距離的影響手機手機觸摸屏原理觸摸屏原理n電阻式觸摸屏電阻式觸摸屏主要是利用壓力感應(yīng)進行控制。主要是利用壓力感應(yīng)進行控制。n構(gòu)成：顯示屏和一塊與其緊密貼合的電阻薄膜屏。構(gòu)成：顯示屏和一塊與其緊密貼合的電阻薄膜屏。n這個電阻薄膜屏通常分為兩層，一層是由玻璃

50、或有這個電阻薄膜屏通常分為兩層，一層是由玻璃或有機玻璃構(gòu)成的基層，其表面涂有透明的導(dǎo)電層；基機玻璃構(gòu)成的基層，其表面涂有透明的導(dǎo)電層；基層外面壓著我們平時直接接觸的經(jīng)過硬化及防刮處層外面壓著我們平時直接接觸的經(jīng)過硬化及防刮處理的塑料層，塑料層內(nèi)部同樣有一層導(dǎo)電層，兩個理的塑料層，塑料層內(nèi)部同樣有一層導(dǎo)電層，兩個導(dǎo)電層之間是分離的。導(dǎo)電層之間是分離的。n當(dāng)我們用手指或其他物體觸摸屏幕的時候，兩個導(dǎo)當(dāng)我們用手指或其他物體觸摸屏幕的時候，兩個導(dǎo)電層發(fā)生接觸，電阻產(chǎn)生變化，控制器則根據(jù)電阻電層發(fā)生接觸，電阻產(chǎn)生變化，控制器則根據(jù)電阻的具體變化來判斷接觸點的坐標(biāo)并進行相應(yīng)的操作的具體變化來判斷接觸點的坐

51、標(biāo)并進行相應(yīng)的操作。n電容式觸摸屏電容式觸摸屏：利用人體的電流感應(yīng)進行工作：利用人體的電流感應(yīng)進行工作n感應(yīng)屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面感應(yīng)屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層導(dǎo)電層，最外層是一薄層矽土和夾層各涂有一層導(dǎo)電層，最外層是一薄層矽土玻璃保護層。玻璃保護層。n當(dāng)我們用手指觸摸在感應(yīng)屏上的時候，人體的電當(dāng)我們用手指觸摸在感應(yīng)屏上的時候，人體的電場讓手指和和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對場讓手指和和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點位置對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點位置。