第05章电容式传感器

1、胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院第五章第五章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容式传感器的结构类型（极距、面积、介质）电容式传感器的结构类型（极距、面积、介质） 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点 电容式传感器的等效和测量电路电容式传感器的等效和测量电路 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 容栅式传感器容栅式传感器本章内容：本章内容：测量技术基础测量技术基础胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院变换原理：将被测非电量的变化转化为

2、电容量变化变换原理：将被测非电量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AArC0+ A 、A或或发生变化时，都会发生变化时，都会引起电容的变化。引起电容的变化。变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型传感器类型传感器类型5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电

3、工程学院 CCC0011/ CC 02311/CC0(/) 0.9mmm01051101.一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院CC2102412ccc 优点：优点：1、减小非线性误差、减小非线性误差2、提高传感器灵敏度、提高传感器灵敏度3、减小寄生电容的影响、减小寄生电容的影响4、减小温度、湿度等环境、减小温度、湿度等环境因素的影响因素的影响实际应用常采用差动式结构。实际应用常采用差动式结构。C2C1d1d200一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器

4、的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积

5、小、性能优越、使用方便。体积小、性能优越、使用方便。 一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院指纹识别指纹识别 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的右图为指纹经过处理后的成

6、像图：成像图：一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就构成了相应的小皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之

7、间的距离不同而变化。与金属导体之间的距离不同而变化。指纹识别指纹识别一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院二、变面积型二、变面积型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院(a) 极板上覆盖有介质极板上覆盖有介质(b) 介质可移动介质可移动三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院

8、物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院电容式接近开关电容式接近开关三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容三、变介质型三

9、、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化随之发生变化. .接近开关的检测物体，并不限于金属接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。三、变介质

10、型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 1. 1. 温度稳定性好；温度稳定性好； 2. 2. 结构简单、适应性强；结构简单、适应性强； 3. 3. 动态响应好；动态响应好； 4. 4. 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：1 1、输出阻抗高、负载能力差；、输出阻抗高、

11、负载能力差；2 2、寄生电容影响大；、寄生电容影响大； 3 3、输出特性非线性。、输出特性非线性。优点优点: :5.3 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院消除寄生电容方法消除寄生电容方法1、减小连线电缆长度、减小连线电缆长度;2、采用等电位驱动技术。、采用等电位驱动技术。5.3 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院(1) 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L 包括引线电缆电感和电容式传感器

12、本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r 由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；电容；Rg是极间等效漏电阻，包括：极板间的漏电损耗和介质损耗、是极间等效漏电阻，包括：极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。rC0CPRgL5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电

13、工程学院龙岩学院物理与机电工程学院低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略等效电容等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻等效电阻ReRg CeRg5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的影响不可忽略，漏电的影响可忽略的影响可忽略 ，其中，其中Ce=C0+Cp，而，而rer reCeLRCjLjCje115.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器

14、的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院调频电路调频电路运算放大器式电路运算放大器式电路二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥电桥测量电路电桥测量电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路测量电路类型测量电路类型(2) 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都非常小，电容式传感器中电容值以及电容变化值都非常小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。因此必须借助于也很难为记录仪所接受，不便于传输。因此必须

15、借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。单值函数关系的电压、电流或者频率。5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院调频测量电路调频测量电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院电桥电路电桥电路文氏式电容测量电桥文氏式电容测量电桥5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥

16、胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院变压器式电桥电路变压器式电桥电路(a) 变压器式电桥原理图变压器式电桥原理图(b) 测量电路测量电路电桥电路电桥电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院1、电容式液位计、电容式液位计 棒状电极（金属管）外面棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变电极与导电液体之间的电容变化。化。 聚四氟乙烯外套聚四氟

17、乙烯外套5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院2、硅微加工加速度传感器、硅微加工加速度传感器加速度传感器以微细加加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其量惯性力或重力加速度。其工作电压为工作电压为2.75.25V，加速，加速度测量范围为数个度测量范围为数个g，可输出，可输出与加速度成正比的电压也可与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。脉冲。5.5 电容

18、式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰撞，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气

19、囊5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的当相对湿度增大时，吸湿性介

20、质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 3、湿敏电容、湿敏电容5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院3、湿敏电容模块及传感器、湿敏电容模块及传感器5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院在野外的使用在野外的使用带报警器

21、的家庭使用型带报警器的家庭使用型3、湿敏电容传感器的安装使用、湿敏电容传感器的安装使用5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。来改变动作距离。 5 5、电容式接