传感器原理及应用第5章 电容式传感器

1、概述概述电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器概述概述电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用硅微电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度测量管道液位高度概述概述5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容传感器工作原理可以用平板电容说明：电容传感器工作原理可以用平板电容说明： 0rssC 0r改变式中改变式中S S 极板极板面积，面积，称变面积型传感器称变面积型传感器 极板极板距离，距离，

2、称变极距型传感器称变极距型传感器 介电常数，介电常数，称变介质型传感器称变介质型传感器 真空介电常数真空介电常数 相对介电常数，相对介电常数， 无介质时空气介质无介质时空气介质 r r =1=15.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变极距型传感器变极距型传感器5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变面积型传感器变面积型传感器5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变介质型传感器变介质型传感器5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性1 1 变极距型（变极距型（） 0rssC 00sC初始电容初始电容00CCC 当当 减小减小 时电容时电容C

3、 C增加增加CC0CCC当当 时，用泰勒级数展开时，用泰勒级数展开 01 =23000001()()CC 0001CC电容相对变化电容相对变化5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）000ssCCC忽略高次项忽略高次项001CCv 传感器灵敏度传感器灵敏度001CCK5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）00 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）210001()CC 220001()CC 上静片上静片下静片下静片动片动片电容的总的变化量电容的总的变化量3120002()CCCC 5

4、.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）电容相对变化量电容相对变化量 24000021()()CC 002CC 传感器（差动式）灵敏度传感器（差动式）灵敏度 0012CCK 相对非线性误差为相对非线性误差为 20()100%L结论：结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍； 非线性误差减小（多乘非线性误差减小（多乘 因子）。因子）。 0/5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（S S） 平板电容：当动极板移动平板电容：当动极板移动X X后两极板间电容量为：后两极板间电容量为：0

5、00()b axbxCCxCCa 0a bC0CxCa 初始电容初始电容:电容的相对变化量电容的相对变化量: : v 平板变面积型电容传感器灵敏度平板变面积型电容传感器灵敏度CbKX结论：结论： 变面积式电容传感器灵敏度变面积式电容传感器灵敏度K为常数；为常数； 输出特性为线性；输出特性为线性； 适合大位移测量。适合大位移测量。5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（） 当某种介质在两固定极板之间运动时，当某种介质在两固定极板之间运动时， 电容量与介质参数之间的关系为：电容量与介质参数之间的关系为：0rsCddr变介电常数式电容传感器分几种情况：变介电

6、常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数测介电常数 （粮仓、木材湿度）（粮仓、木材湿度） 测介质厚度测介质厚度 d(d(纸张、薄膜厚度）纸张、薄膜厚度）d动片动片5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（） d d为介质的厚度，为介质的厚度，d d、S S保持不变，保持不变， 改变改变 ，可作为介电常数的测试仪器。，可作为介电常数的测试仪器。0r 0()rrsCdd 01(1)rCdC 介电常数介电常数 保持不变，保持不变，S S和和一定，一定， 改变介质厚度改变介质厚度 d d，可作为测厚仪器。，可作为测厚仪器。5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出

7、特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（） 测液位高度测液位高度（根据液体容器的形状计算）（根据液体容器的形状计算）5.3 5.3 测量电路测量电路1.1.电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化必须将电容变化转换为转换为电流、电压的变化。电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括电容传感器的等效电路包括: :传输线的电感传输线的电感L L0 0、电阻电阻R R（小）（小）; ;极板等效漏电阻极板等效漏电阻RgRg；传感器电容；传感器电容C C0 0 ；A A、B B两端分布

8、电容两端分布电容CpCp， CpCp常比常比C C0 0还大。低频时还大。低频时XcXc大，大，L L、R R可忽略，高频时可忽略，高频时XcXc小，小，L L、R R不可忽略，工作频率不可忽略，工作频率10MHz10MHz以上要考虑电缆电感以上要考虑电缆电感L L的影响，相的影响，相当当L L、C C串联，有一个谐振频率串联，有一个谐振频率f f0 0，当当f=ff=f0 0时串联谐振阻抗最小。时串联谐振阻抗最小。5.3 5.3 测量电路测量电路1.1.电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 v 用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和

9、交变磁场；v 前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输；前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输；v 驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。 原理是：原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性 漏电从而消

10、除寄生电容的影响。漏电从而消除寄生电容的影响。 内外屏蔽之间的电容是放大器内外屏蔽之间的电容是放大器 负载。这一方法可在负载。这一方法可在10M10M距离不距离不 影响传感器性能，保证电容影响传感器性能，保证电容1pF1pF 时也能正常工作。可提高电容传时也能正常工作。可提高电容传 感器的稳定性。感器的稳定性。5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器单臂时，传感器C C邻臂接一个固定电容邻臂接一个固定电容C C0 0与之相匹配；与之相匹配； 差动形式传感器差动形式传感器

11、 是两个桥臂是两个桥臂 交流电桥的输出电压为：交流电桥的输出电压为：12,C C120212ZZEUZZ111Zjc120212CCEUCC221Zj c代入：代入：5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 002EUv 输出电压与输入位移成理想线性关系输出电压与输入位移成理想线性关系10sC 20sC 极板在中间位置时极板在中间位置时动片上移时电容变化动片上移时电容变化1200CCU120212CCEUCC5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式5.3 5.3 测量电路测量电路3. 3. 二极管双二极管双T T型电路型电路

12、 VEVE是高频对称方波电源，是高频对称方波电源， D1D1、D2D2特性相同二极管特性相同二极管 C1C1、C2C2传感器差动电容传感器差动电容 R R 固定电阻，固定电阻，RLRL负载。负载。 一个周期内一个周期内RLRL上的平值上的平值 电压为：电压为： 12122(2)()()()LRLLEELR RRUR Uf ccMUf ccRRv 一个周期内负载一个周期内负载RLRL上输出电压上输出电压U URLRL与电源电压与电源电压VEVE幅值、幅值、 频率频率f f有关有关; ;与电容的差值与电容的差值(C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 5.3 5.3 测量电路测量电路3. 3. 二

13、极管双二极管双T T型电路型电路 双双T T型电路型电路工作原理分析工作原理分析 正半周正半周D1D1导通导通D2D2截止截止C1C1充电；充电； 负半周负半周D1D1截止截止D2D2导通导通C2C2充电；充电； I If f =I=I1 1+I+I2 2，I If f =I =I1 1+I+I2 2 C C1 1 = C= C2 2时，时，I If f = I = If f5.3 5.3 测量电路测量电路4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 电路原理图电路原理图 电路组成：电路组成：A1A1、A2A2比较器；比较器；FFFF双稳态触发器；双稳态触发器； VD1VD1、VD2VD2与电与电阻

14、组成充放电回路；阻组成充放电回路；UfUf参考直流电压参考直流电压; ; 双稳态作输出双稳态作输出; ;电容电容Cx1Cx1、Cx2Cx2为传感器差动电容。为传感器差动电容。 电路分析：电路分析：设接通电源时设接通电源时A A高高B B低，低，R1R1对对C1C1充电充电C C点上升到点上升到UfUf，5.3 5.3 测量电路测量电路4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 波形图波形图 12120121212ABFFFTTT TUUUUUUT TT TT T5.3 5.3 测量电路测量电路4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 12012FCCUUCC12012FSSUUSS12012FUU1

15、2120121212ABFFFTTTTUUUUUUTTTTTT5.3 5.3 测量电路测量电路5 5运算放大器式电路运算放大器式电路 设设K K为理想运放为理想运放; ;CxCx传感器电容传感器电容, , Co Co固定电容固定电容; ;0 xsC000SCIUI Xjc 0 xCxxIUXIjc 输入端输入端输出端输出端u 对于单极板平板电容器对于单极板平板电容器 传感器运放输出可以为：传感器运放输出可以为：000SCUUs &0 xII &00SxCUUC 输出电压输出电压U U0 0与机械位移与机械位移X X（）成线性关系，解决了单电容的非线性关系。）成线性关系，解决了单

16、电容的非线性关系。 k 5.3 5.3 测量电路测量电路6 6调频电路调频电路 谐振曲线谐振曲线调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。频率变化转化换为电压的变化。12fLC5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电容式料位计电容式料位计 用于水泥、化工、罐装用于水泥、化工、罐装 等传感器

17、静电容：等传感器静电容：0022()lnlnSXHChDDdd 0CCC 电容测深度、角度电容测深度、角度 动画演示动画演示检测电极为电容的一个极，检测电极为电容的一个极，罐子的外壳为电容的另一罐子的外壳为电容的另一个极。第一项是静电容个极。第一项是静电容C C0 0：5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2 2电容式压力传感器电容式压力传感器结构：结构：（金属弹性膜片）（金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属动片；两个玻璃球面上镀有金属定片；定片； 膜片左右两侧充满硅油。膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压（工作过程：当两室分别承受低压（PLPL）

18、和高压（）和高压（PHPH）时，）时， 硅油能将压差传递到测量膜片，硅油能将压差传递到测量膜片，HLPPP当当PH=PLPH=PL时，膜片处于中间位置，时，膜片处于中间位置，C1=C2C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PLPH PL时，膜片时，膜片PLPL向弯曲，向弯曲，C1C2C1C2， PH PLPH C2C1C2； 将这种电容变化通过将这种电容变化通过 电路转换为电压变化电路转换为电压变化 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2.2.电容式压力传感器电容式压力传感器 电容传感器电容传感器 盒膜片结构盒膜片结构

19、 工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种：用的一种，电容膜片压力传感器分两种：计示压力计（表压）计示压力计（表压）以大气为基准测管道、箱内、罐中压力；以大气为基准测管道、箱内、罐中压力；绝对压力计绝对压力计以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力。以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力。传感器传感器基准基准接大气接大气低压阀低压阀高压阀高压阀选通阀选通阀管道管道传感器传感器接真空接真空低压阀低压阀高压阀高压阀管道管道反应罐反应罐 压力传感器/变送器基础知识一、压力的基本概念一、压力的基本概念 1 1、压强（、压强（P

20、ressure)Pressure)与压力（与压力（PressurePressure，force)force)：2 2、压强与压力（、压强与压力（Pressure)Pressure)的单位：的单位： 压强：帕斯卡（压强：帕斯卡（PaPa），压力：牛顿（），压力：牛顿（N N）。）。3 3、区分客户所说压力与压强。、区分客户所说压力与压强。4 4、单位换算：、单位换算： 1bar=1.01bar=1.0 10105 5Pa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mHPa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2 2O O 1PSI=6.89K

21、Pa,1 1PSI=6.89KPa,1公斤压力公斤压力=0.98=0.98 10105 5Pa=1Pa=1千克力千克力/ /厘米厘米2 2 1inchH 1inchH2 2O=250PaO=250Pa 压力传感器/变送器基础知识二、二、压力类型压力类型1 1、绝压（、绝压（Absolute,A),Absolute,A),以真空为标准以真空为标准2 2、表压（、表压（Guage,G)Guage,G)，以当地大气压为标准。，以当地大气压为标准。3 3、差压（、差压（Differential,D)Differential,D)，测试两端压力差值。，测试两端压力差值。4 4、密封表压（、密封表压（Ve

22、nt Guage,VG)Vent Guage,VG)，以标准的大气压为标准。，以标准的大气压为标准。 压力传感器/变送器 压力芯体、压力敏感元件压力芯体、压力敏感元件 1 1、表贴封装（测试气压）、表贴封装（测试气压） 2 2、双列直插式封装（测试气压）、双列直插式封装（测试气压） 3 3、TO-8TO-8封装（测试气压）封装（测试气压） 压力传感器/变送器主要应用场合：主要应用场合： 航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、 叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试压力芯体、压力敏感元

23、件压力芯体、压力敏感元件 4 4、不锈钢封装（测试液压和气压）、不锈钢封装（测试液压和气压）5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 3 3电容板材在线测厚仪电容板材在线测厚仪 电容测厚仪用于测量金属电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度带材在轧制过程中的厚度变化。变化。 带材是电容的动极板，带材是电容的动极板，总电容总电容C1+C2C1+C2作为桥臂。作为桥臂。 带 材 只 是 上 下 波 动 时带 材 只 是 上 下 波 动 时Cx=C1+C2Cx=C1+C2总的电容量不变；总的电容量不变；带材的厚度变化使电容带材的厚度变化使电容CxCx变化。变压器式输出电桥。变

24、化。变压器式输出电桥。 或用运放电路或用运放电路 输出为：输出为：000SCUUhs &5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 4 4电容测位移电容测位移 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩, ,然后然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导率等等。目前主要应用于超低频、低加速度测量，

25、是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。航系统中不可缺少的关键元件。Y YZ ZX X在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，分别测装三只力平衡系统式加速度传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。的运动参量。 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 力平衡式加速度传感器力平衡式加速度