传感器与检测技术第四章

传感器与检测技术第四章第1页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.1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(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。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，如果不考虑其边缘效应，其电容为

下页上页返回式中ε--两个极板间介质的介电常数；

εr

--介质的相对介电常数；

ε0

--真空介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）；

s--两个极板相对有效面积；

d--两个极板间的距离第2页，共50页，2023年，2月20日，星期三

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由上式可知，改变电容C的方法有三种：改变介质的介电常数ε；改变形成电容的有效面积S；改变两个极板间的距离d。输出均为电容增量ΔC，故构成电容式传感器。二、类型三种：变极距d(或称变间隙）型、变面积s型和变介电常数ε型。形状：平板形、圆柱形和球平面形三种。第3页，共50页，2023年，2月20日，星期三图4-1变极距型电容传感器结构原理下页上页返回第4页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回图4-2变面积型电容传感器结构原理图第5页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回图4-3变介电常数型电容传感器结构原理图第6页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回第7页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.2电容传感器的灵敏度及非线性

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变极距型变面积型变介电常数型为提高灵敏度，通常各种结构的电容传感器多采用差动形式。第8页，共50页，2023年，2月20日，星期三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，可适当的增大极板间的初始距离d0

，以保证比值d/d0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。下页上页返回第9页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.3电容传感器的等效电路4.3.1电容传感器的特点

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优点：①本身发热小，温度稳定性好；②结构简单、适应性强；③介质损失小，动态响应好；④可以实现非接触测量，具有平均效应第10页，共50页，2023年，2月20日，星期三缺点：①输出阻抗高，负载能力差；②寄生电容影响大；③输出特性非线性下页上页返回第11页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回4.3.2电容式传感器的等效电路

图4-4电容式传感器的等效电路对高频有：第12页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.4电容传感器的设计要点一、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小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。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而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。

下页上页返回第13页，共50页，2023年，2月20日，星期三图4-5带有等位环的平板电容传感器结构原理图下页上页返回第14页，共50页，2023年，2月20日，星期三

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。

下页上页返回第15页，共50页，2023年，2月20日，星期三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。

下页上页返回消除和减小寄生电容可采用如下方法：图4-6接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图第16页，共50页，2023年，2月20日，星期三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。采用“驱动电缆”技术（也称“双层屏蔽等位传输”技术）。

图4-7“驱动电缆”技术电原理图下页上页返回第17页，共50页，2023年，2月20日，星期三

采用运算放大器法

图4-8运算放大器法电原理图下页上页返回第18页，共50页，2023年，2月20日，星期三整体屏蔽法

图4-9两个整体屏蔽法例子下页上页返回第19页，共50页，2023年，2月20日，星期三屏蔽和接地。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。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。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。下页上页返回四、防止和减小外界干扰第20页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.5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C，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。同时，还根据需要将电路参数C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：调制型脉冲型(或称为电容充放电器)下页上页返回第21页，共50页，2023年，2月20日，星期三一、调制型电路

下页上页返回图4-10调频电路第22页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回电路特点：灵敏度高，可测0.01pf的变化量；抗干扰性强；特性稳定；能取得高电平的直流信号（V级）；f受温度和电缆电容影响大第23页，共50页，2023年，2月20日，星期三调幅电路下页上页返回第24页，共50页，2023年，2月20日，星期三

变压器电桥（a）单臂接法（b）差动接法第25页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回电路特点：电路简单；电桥输出调幅波，故要求电源电压波动小，需稳幅、稳频；调整复杂，不方便；输出阻抗高，输出电压低，需接高放大倍数处理电路第26页，共50页，2023年，2月20日，星期三运算放大器电路下页上页返回第27页，共50页，2023年，2月20日，星期三二、脉冲型电路

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，较常用的电路为：

双T型充放电网络

下页上页返回第28页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回第29页，共50页，2023年，2月20日，星期三

脉冲调宽型电路图4-16脉冲调宽型电路原理图下页上页返回第30页，共50页，2023年，2月20日，星期三下页上页返回图4-17各点电压波形图第31页，共50页，2023年，2月20日，星期三4.6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，振动振幅（测至0.05μm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、加速度等机械量，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来作为位置信号发生器。下页上页返回第32页，共50页，2023年，2月20日，星期三优点：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、具有平均效应。不足：输出阻抗高，负载能力差等。

特点上页返回下页第33页，共50页，2023年，2月20日，星期三图4-19差动式电容压力传感器上页返回下页第34页，共50页，2023年，2月20日，星期三上页返回下页图4-21电容式加速度传感器结构示意图第35页，共50页，2023年，2月20日，星期三上页返回下页电容式液位传感器

非导电介质第36页，共50页，2023年，2月20日，星期三

导电介质

传感器极板与被测介质绝缘容器和液体为一个电极；插入金属电极为令一个电极；绝缘套管为中间介质上页返回下页第37页，共50页，2023年，2月20日，星期三（a）棒式探极（b）同轴探极（c）缆式探极图4-24几类常见的电容式液位传感器第38页，共50页，2023年，2月20日，星期三油箱液位检测第39页，共50页，2023年，2月20日，星期三电容式限位仪第40页，共50页，2023年，2月20日，星期三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变的原理进行测量。

以BaSrTiO3为主的陶瓷电容器，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，经过换算可求得温度。电容式温度传感器第41页，共50页，2023年，2月20日，星期三上页返回下页图4-23电容式振动位移传感器结构示意图第42页，共50页，2023年，2月20日，星期三上页返回下页图4-24电容式振动位移传感器应用示意图第43页，共50页，2023年，2月20日，星期三第44页，共50页，2023年，2月20日，星期三

接近开关第45页，共50页，2023年，2月20日，星期三

指纹识别

(a)笔记本指纹识别(b)指纹识别手机(c)汽车防盗指纹识别电容式指纹识别传感器第46页，共50页，2023年，2月20日，星期三

（1）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。

第47页，共50页，2023年，2月20日，星期三（2）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极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面电容阵列的各个电容电压不同；通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像，从