第五章 電容式傳感器

第5章

電容式傳感器

概述第5章電容式傳感器電容式接近開(kāi)關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器示例概述第5章電容式傳感器各種電容式傳感器示例飛機(jī)油量檢測(cè)概述第5章電容式傳感器各種電容式傳感器示例測(cè)量管道液位高度概述第5章電容式傳感器

電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一。

利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。概述與電阻式、電感式傳感器相比的優(yōu)點(diǎn)：第5章電容式傳感器1.測(cè)量范圍大：相對(duì)變化量可達(dá)100%。2.靈敏度高：可達(dá)10-7。3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短：可動(dòng)部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。4.機(jī)械損失?。弘姌O間引力小，無(wú)摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)：金屬做電極，無(wú)機(jī)材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強(qiáng)輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。概述與電阻式、電感式傳感器相比的不足之處：第5章電容式傳感器1.寄生電容影響大：導(dǎo)線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當(dāng)用變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有非線性輸出特性。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：

壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)第5章電容式傳感器d

ε——極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr

——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù).

對(duì)于空氣介質(zhì)，εr

≈1。A——極板間相互覆蓋面積（m2）；d——極板間距離（m）；

第5章電容式傳感器電容式傳感器變極距型變面積型變介質(zhì)型等式右邊的三個(gè)參數(shù)改變?nèi)魏我粋€(gè)都可以使電容值C發(fā)生變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。

5.1.1變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理初始電容

當(dāng)減小時(shí),即電容C增加

dΔdC0d0dCΔC

變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理當(dāng)時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)

電容相對(duì)變化

變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理忽略高次項(xiàng)即當(dāng)

(一般取0.02-0.1)時(shí)，電容的相對(duì)變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線性關(guān)系。變極板間距型電容傳感器5.1基本工作原理d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)材料，如云母，塑料膜等作為介質(zhì)。

變極板距離電容式傳感器在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。變面積型電容傳感器5.1基本工作原理

當(dāng)其中一個(gè)極板發(fā)生Δx位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積A

，電容量C同樣隨之變化。5-5直線位移式因此，與位移呈線性關(guān)系。變面積型電容傳感器5.1基本工作原理θ定片動(dòng)片5-6角位移式因此，與角位移呈線性關(guān)系。

變面積型電容傳感器5.1基本工作原理θ定片動(dòng)片

角位移式變面積型電容傳感器不論是角位移式還是直線式，傳感器的電容值都與引起遮蓋面積變化的因素（轉(zhuǎn)角θ或直線位移x）呈線性關(guān)系。

變面積型電容傳感器5.1基本工作原理這類傳感器具有良好的線性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。

初始電容C0為：當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容Cx為：D1D0Lx與x成線性關(guān)系。變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型電容傳感器5.1基本工作原理變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。

變介質(zhì)型電容傳感器5.1基本工作原理右圖一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1,液面高度為h,變換器總高度為H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D,相當(dāng)于兩個(gè)電容并聯(lián)電容增量與被測(cè)液位高度成正比線性關(guān)系則此時(shí)變換器電容值為

5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性此處只討論變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性。電容的相對(duì)變化量：忽略高次項(xiàng)當(dāng)時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)

表明單位輸入位移所引起的輸出電容相對(duì)變化的大小與d0成反比關(guān)系要提高靈敏度，應(yīng)減小初始間隙，但非線性誤差卻增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

非線性誤差差動(dòng)式電容傳感器5.1基本工作原理為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。差動(dòng)式電容傳感器5.1基本工作原理上下兩部分的初始電容：上移后：展開(kāi)：

差動(dòng)式電容傳感器5.1基本工作原理差動(dòng)式電容傳感器的輸出為：非線性誤差為：略去高階無(wú)窮?。翰顒?dòng)式電容傳感器5.1基本工作原理結(jié)論：差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍非線性誤差可以減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

5.3電容式傳感器的等效電路Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。電容式傳感器的等效電路一、等效電路電容式傳感器的等效電路由等效電路可知，它有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。電容式傳感器的等效阻抗為：激勵(lì)電源角頻率5.3電容式傳感器的測(cè)量電路第5章電容式傳感器電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。由于作為傳感器在功能和結(jié)構(gòu)上的要求，電容式傳感器不是理想電容。電容式傳感器中除了有電容之外，還存在著串、并聯(lián)電阻，以及串聯(lián)電感等。測(cè)量電路電容式傳感器的電容非常小（pF級(jí)的），需要用專門的電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成比例地將它變成電壓、電流或頻率信號(hào)供給或遠(yuǎn)傳給后續(xù)裝置顯示、記錄及運(yùn)算等。測(cè)量電路(一)調(diào)頻電路(二)運(yùn)算放大器式電路(三)二極管雙T形交流電橋(四)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路5.4.1調(diào)頻電路

調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度,可以測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊,抗干擾能力強(qiáng),可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。5.4.2運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器測(cè)量電路如果傳感器是一只平行板電容，則：上式是在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。

由放大器工作原理可得：克服了變極距型電容式傳感器的非線性Vi為高頻電源，當(dāng)V1在正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，C1充電。當(dāng)Vi在負(fù)半周時(shí)，電容C1上的電流經(jīng)R1,RL放電，電源Vi對(duì)電容C2充電；在下一個(gè)正半周，C2經(jīng)R2,RL放電，若C1=C2，且二極管D1和D2的特性相同，則在同一個(gè)周期內(nèi)，經(jīng)過(guò)RL的平均電流為零。5.4.3二極管雙T形交流電橋

若傳感器輸入不為0,則C1≠C2,那么I1≠I2,此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出,其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為

式中f為電源頻率。當(dāng)RL已知,上式中=M為常數(shù)。Uo=U

fM(C1-C2)輸出電壓與電容C1和C2的差值有關(guān)當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí)，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對(duì)電容Cx充電的電流i1所示的方向；對(duì)Cd充電的電流如i3所示方向。

在充電過(guò)程中(T1這段時(shí)間)，VD2、VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。在T1這段時(shí)間內(nèi)由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為：

q1=Cd(E2-E1)

5.4.4環(huán)形二極管電路環(huán)形二極管電路當(dāng)輸入的方波由E2躍變到E1時(shí)，電容Cx和Cd放電；電壓皆由E2放電到E1。對(duì)電容Cx放電的電流i2所示的方向；對(duì)Cd放電的電流如i4所示方向。

在放電過(guò)程中(T2這段時(shí)間)，VD1、VD3一直處于截止?fàn)顟B(tài)。在T2這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向A點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為：

q2=Cx(E2-E1)

環(huán)形二極管電路設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過(guò)程的次數(shù))，則由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2=Cxf(E2-E1),而從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3=Cdf(E2-E1),流過(guò)此支路的瞬時(shí)電流的平均值為式中,ΔE為方波的幅值，ΔE=E2-E1。令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx,調(diào)節(jié)Cd=C0則由上式可以看出，I正比于ΔCx。5.4.5脈沖寬度調(diào)制電路利用對(duì)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化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路R2D1D2ABR1C1C2USCMUrN+--+QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1P(二)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路RS觸發(fā)器真值表RSQ01110000不變11不定C1、C2為差動(dòng)式傳感器A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。如此循環(huán)反復(fù)，AB將輸出方波tuAuBuABUMUNUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUMUNUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt當(dāng)C1=C2時(shí)當(dāng)C1>C2時(shí)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖(二)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路二、測(cè)量電路當(dāng)C1=C2時(shí)當(dāng)C1>C2時(shí)UAP、UBP—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。設(shè)R1＝R2＝R，則:

(二)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路二、測(cè)量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。說(shuō)明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

(二)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路二、測(cè)量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器：(二)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路二、測(cè)量電路U1—觸發(fā)器輸出的高電位。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。5.5電容式傳感器的應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測(cè)量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測(cè)量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。1.電容式差壓變送器

高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置1.電容式差壓變送器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用主要討論球、平面型差動(dòng)電容壓力傳感器。凸玻璃圓片彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極PLPH1.電容式差壓變送器

當(dāng)PH=PL時(shí)，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PH>PL時(shí)，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路1.電容式差壓變送器

各種電容式

差壓變送器外形

1.電容式差壓變送器

2.電容式測(cè)微儀

非接觸式精確測(cè)量位移和振動(dòng)幅度。在最大量程為(100±5)um時(shí)，最小檢測(cè)量可達(dá)0.01um。a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器假設(shè)采用運(yùn)算法測(cè)量電路，則輸出電壓和位移成線性關(guān)系。3.電容式液位計(jì)

電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量。依此原理還可進(jìn)行其它形式的物位測(cè)量。對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測(cè)量，此外還能測(cè)量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測(cè)量。3.電容式液位計(jì)

3.4電容式傳感器的應(yīng)用右圖為用于測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開(kāi)有很多流通孔使液體流入極板間。

1、2-內(nèi)、外電極；

3-絕緣套；4-流通孔安裝形式4.濕度測(cè)量

3.4電容式傳感器的應(yīng)用濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。HM1500濕度傳感器當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。5.電容式鍵盤

3.4電容式傳感器的應(yīng)用常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開(kāi)關(guān)的鍵盤，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，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件。這種開(kāi)關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換.6.電容式傳聲器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動(dòng)圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過(guò)前置放大器變換為輸出電壓。7.電容式指紋傳感器

3.4電容式傳感器的應(yīng)用目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。(1)半導(dǎo)體壓感式傳感器

其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào),并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。(2)半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器

它通過(guò)感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以