传感器与检测技术 第四章.

1、第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 4.1传感器的工作原理及类型传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 本章要点本章要点下页下页返回返回4.1 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型 电容式传感器是将被测量电容式传感器是将被测量( (如尺寸、压力等如尺寸、压力等) )的变化的变化转换成电容量变化的转换成电容量变化的-种传感

2、器。种传感器。一、工作原理一、工作原理 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为如果不考虑其边缘效应，其电容为 下页下页上页上页返回返回dSdSCr0式中式中 - - 两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质的介电常数； r r - - 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数； 0 0 - - 真空介电常数（真空介电常数（0 0 =8.85 =8.851010-12-12F/mF/m）；）； s - s - 两个极板相对有效面积；两个极板相对有效面积； d - d - 两个极板间的距离两个极板间的距离下页下页上页上页

3、返回返回 由上式可知，改变电容由上式可知，改变电容C C的方法有三种：的方法有三种： 改变介质的介电常数改变介质的介电常数； 改变形成电容的有效面积改变形成电容的有效面积S S； 改变两个极板间的距离改变两个极板间的距离d d。 输出均为电容增量输出均为电容增量CC，故构成电容式传感器。故构成电容式传感器。二、类型二、类型 三种：变极距三种：变极距d(d(或称变间隙）型、变面积或称变间隙）型、变面积s s型和变型和变 介电常数介电常数型。型。 形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。图图4-1 变极距型电容传感器结构原理变极距型电容传感器结构原理下页下页上页上页

4、返回返回下页下页上页上页返回返回图图4-2 变面积型电容传感器结构原理图变面积型电容传感器结构原理图下页下页上页上页返回返回图图4-3 变介电常数型电容传感器结构原理图变介电常数型电容传感器结构原理图下页下页上页上页返回返回4.2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性 下页下页上页上页返回返回q 变极距型变极距型q 变面积型变面积型q 变介电常数型变介电常数型 为提高灵敏度，通常各种结构的电容传为提高灵敏度，通常各种结构的电容传感器多采用差动形式。感器多采用差动形式。 对于变极距型电容传感器，为在比较大的范围内使用对于变极距型电容传感器，为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当

5、的增大极板间的初始距离此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离 d0 ，以，以保证比值保证比值 d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。作用将增加。 变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容传感器具有很好的线性。但实际上由于边缘效应的影响仍存在有很好的线性。但实际上由于边缘效应的影响仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。下页下页上页上页返回返回4.3

6、 电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路4.3.1 电容传感器的特点电容传感器的特点 下页下页上页上页返回返回 优点：优点： 本身发热小，本身发热小，温度稳定性好；温度稳定性好； 结构简单、适应性强；结构简单、适应性强； 介质损失小，介质损失小，动态响应好；动态响应好； 可以实现非接触测量，具有平均效应可以实现非接触测量，具有平均效应缺点：缺点： 输出阻抗高，负载能力差；输出阻抗高，负载能力差； 寄生电容影响大；寄生电容影响大； 输出特性非线性输出特性非线性 下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回4.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 LCCCe21图图4-4 电

7、容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路对高频有：对高频有：4.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点一、保证绝缘材料的绝缘性能一、保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。能。二、消除和减小边缘效应二、消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。 下页下页上页上页返回返回图图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图带有

8、等位环的平板电容传感器结构原理图下页下页上页上页返回返回 三、消除和减小寄生电容的影响三、消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。影响仪器的精度，必须消除和减小它。 下页下页上页上页返回返回 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。注意传感器的接地和屏蔽。 下页下页上页上页返回返回消除和减小寄生电容可采用如下方法消除和减小寄生电容可采用如下方法：图图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感

9、器示意图接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图将传感器与电子线路的前置级（集成化）装在将传感器与电子线路的前置级（集成化）装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。采用采用“驱动电缆驱动电缆”技术（也称技术（也称“双层屏蔽等位双层屏蔽等位传输传输”技术）。技术）。 图图4-7 “驱动电缆驱动电缆”技术电原理图技术电原理图下页下页上页上页返回返回 采用运算放大器法采用运算放大器法 图图4-8 运算放大器法电原理图运算放大器法电原理图下页下页上页上页返回返回 整体屏蔽法整体屏蔽法 图图4-9 两个整体屏蔽法例子两个整体屏蔽法例子下页下页上页上页返回返回 屏蔽和接地。屏

10、蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰

11、。 下页下页上页上页返回返回四、防止和减小外界干扰四、防止和减小外界干扰4.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 传感器把被测量转换成电路参数传感器把被测量转换成电路参数C，从而使信号能传输、，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路同时，还根据需要将电路参数参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两大类：电容传感器的转换电路种类很多，一般归结为两

12、大类： 调制型调制型 脉冲型脉冲型(或称为电容充放电器或称为电容充放电器)下页下页上页上页返回返回一、调制型电路一、调制型电路 下页下页上页上页返回返回图图4-10 调频电路调频电路CCLff0021下页下页上页上页返回返回电路特点：电路特点： 灵敏度高，可测灵敏度高，可测0.01pf的变化量；的变化量； 抗干扰性强；抗干扰性强； 特性稳定；特性稳定； 能取得高电平的直流信号（能取得高电平的直流信号（V级）；级）； f受温度和电缆电容影响大受温度和电缆电容影响大调幅电路调幅电路 下页下页上页上页返回返回 变压器电桥变压器电桥（a）单臂接法）单臂接法 （b）差动接法）差动接法下页下页上页上页返回

13、返回电路特点：电路特点： 电路简单；电路简单； 电桥输出调幅波，故要求电源电压波动电桥输出调幅波，故要求电源电压波动小，需稳幅、稳频；小，需稳幅、稳频； 调整复杂，不方便；调整复杂，不方便； 输出阻抗高，输出电压低，需接高放大输出阻抗高，输出电压低，需接高放大倍数处理电路倍数处理电路o1/(j)1/(j)xxCCUUUCC 运算放大器电路运算放大器电路下页下页上页上页返回返回二、脉冲型电路二、脉冲型电路 脉冲型转换电路的基本原理是利用脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种性能较好，较常用电容的充放电。两种性能较好，较常用的电路为：的电路为： 双双T型充放电网络型充放电网络 下页下页上

14、页上页返回返回下页下页上页上页返回返回)()()2(212CCUfRRRRRRULLLO 脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路图图4-16 脉冲调宽型电路原理图脉冲调宽型电路原理图下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回图图4-17 各点电压波形图各点电压波形图4.6 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 电容传感器可用来测量直线位移、角位移，电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅（测至振动振幅（测至0.05m的微小振幅），尤其适的微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、速度等机械

15、量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。来作为位置信号发生器。 下页下页上页上页返回返回n 优点：结构简单、适应性强；动态响应好；分优点：结构简单、适应性强；动态响应好；分辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、具有平均效应。具有平均效应。n 不足：输出阻抗高，负载能力差等。不足：输出阻抗高，负载能

16、力差等。l 特点特点上页上页返回返回下页下页图图4-19 差动式电容压力传感器差动式电容压力传感器上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页图图4-21 电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器结构示意图上页上页返回返回下页下页电容式液位传感器电容式液位传感器l 非导电介质非导电介质)/ln(2)/ln()(210rRxrRxhCxrRCxhrR)()/ln(2)()/ln(2010010l 导电介质导电介质n 传感器极板与被测介质绝缘传感器极板与被测介质绝缘n 容器和液体为一个电极；容器和液体为一个电极； 插入金属电极为令一个电极；插入金属电极为令一个电极； 绝缘套管为中间介质绝

17、缘套管为中间介质上页上页返回返回下页下页（a）棒式探极）棒式探极 （b）同轴探极）同轴探极 （c）缆式探极）缆式探极图图4-24 几类常见的电容式液位传感器几类常见的电容式液位传感器油箱液位检测油箱液位检测电容式限位仪电容式限位仪l 该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改变的原理进行测量。变的原理进行测量。n 以以BaSrTiO3BaSrTiO3为主的陶瓷电容为主的陶瓷电容器，其介电常数在温度超过居里器，其介电常数在温度超过居里点之后，会随着温度的上升成反点之后，会

18、随着温度的上升成反比的下降，如图所示。若将这种比的下降，如图所示。若将这种电容器与电感组成谐振回路，则电容器与电感组成谐振回路，则其谐振频率会有规律地随温度变其谐振频率会有规律地随温度变化。用频率计测出其频率，经过化。用频率计测出其频率，经过换算可求得温度。换算可求得温度。电容式温度传感器电容式温度传感器上页上页返回返回下页下页图图4-23 电容式振动位移传感器结构示意图电容式振动位移传感器结构示意图上页上页返回返回下页下页图图4-24 电容式振动位移传感器应用示意图电容式振动位移传感器应用示意图l 接近开关接近开关 指纹识别指纹识别 (a)笔记本指纹识别笔记本指纹识别 (b)指纹识别手机指纹

19、识别手机 (c)汽车防盗指纹识别汽车防盗指纹识别 电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 （1）电容式键盘）电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，以实现信息的转换。化，以实现信息的转换。 （2）指纹识别）指纹识别指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由若干个电容传感器组成。若干个电容传感器组成。当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电当人把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面极。由于手指上