电容传感器七-10.21

1、电容式传感器工作原理及分类电容式传感器测量电路电容式传感器的应用 21.工作原理及类型 S 极板相对覆盖面积； 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数； 电容极板间介质的介电常数。 S3 a.变极距型电容传感器若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度上一页返 回下一页10平板式变面积型baab kg减小 、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返 回下一页112. 非线性变极距型 将上式展开成泰勒级数得 取值不能大，否则将降低灵敏度 上一页返 回下一页12采用差动形式，并取两电容之差为输出量 差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了

2、一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量被测量与 成线性关系 无需满足上一页返 回下一页131、特点 优点:1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ）2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应上一页返 回下一页14动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速

3、变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。返 回15缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 上一页返 回下一页16 边缘效应 危害：灵敏度降低 产生非线性 减小极间距，使

4、电极直径或边长与间距比很大易产生击穿并有可能限制测量范围 上一页返 回下一页17差动技术的运用 减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响上一页返 回上一页返 回下一页18电容式传感器测量电路 (1) 调频电路(2) 运算放大器电路(3) 双T型电桥电路(4) 脉宽调制电路上一页返 回下一页19(1) 调频电路上一页返 回下一页20(2). 运算放大器式电路 最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 上一页返 回下一页运算放大器式电路原理图uC-ACxu021(3)二极管双T型电路 上一页返 回下一页U0iC1i

5、C2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 22(4). 差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 上一页返 回下一页23上一页返 回下一页差动脉冲调宽电路原理图QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态传感器24上一页返 回下一页253.电容式传感器测量电路电容式传感器的测量电路有 交流电桥式以及谐振式等。261.交流电桥式测量电路特点：精度高，灵敏度高， 调平衡较麻烦。 272. 谐振式测量电路分为：谐振

6、式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：灵敏度高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。 28调频电路：振荡频率 。当C 变化时，振荡频率随之变化，根据f 的大小即可测出被测量的值。 如何实现 f U 的转换294.电容式传感器的应用3031结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)P弹性膜片(动电极)固定电极凹玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P1. 电容式差压传感器 电容式差压传感器电容式压力传感器32精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 2.电容式加速度传感器弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m33图示加速度传感器以微细加工技术（MEMS）为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度,加速度测量范围为数个g。34(a)加速度传感器在汽车中的应用 假人气囊思考：能否采用压力or 应变传感器？35(b)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置363. 指纹识别传感器3738指纹获取39电容式触摸