机械工程测试技术第五章

机械工程测试技术第五章第1页，课件共70页，创作于2023年2月第五章 电容式传感器内容提示：5.1电容式传感器的工作原理5.2电容式传感器的特点5.3电容式传感器的测量转换电路5.4电容式传感器的典型应用第2页，课件共70页，创作于2023年2月5.1电容式传感器的工作原理平板电容器的电容量为式中A——两极板相互遮盖的有效面积；

d——两极板间的距离，也称为极距；

ε——两极板间介质的介电常数；

εr——两极板间介质的相对介电常数；

ε0——真空的介电常数，ε0=8.85

10-12(F/m)。

e

A

d

第3页，课件共70页，创作于2023年2月5.1电容式传感器的工作原理在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变极距式、变面积式、变介电常数式。第4页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.1变极距式当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

第5页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.1变极距式从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？ 实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。第6页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.1变极距式变极距式电容传感器的特点为：初始极距小非线性行程较小（两块极板短路）

一般变极距式电容传感器起始电容量设置在20pF至100pF、初始极距d0设置在100～1000μm范围内、最大位移应小于两极板间距的1/10～1/4，故多在微位移测量中使用。第7页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.2变面积式第8页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.2变面积式

设动极板相对定极板沿长度l0方向平移Δl时，则电容为:第9页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.2变面积式初始电容为：电容的相对变化量为:灵敏度为：第10页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.2变面积式变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。第11页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.3变介电常数式因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。第12页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.3变介电常数式两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。

传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。第13页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.3变介电常数式式中：l0、b0——极板长度和宽度；l——第二种电介质进入极间的长度第14页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.3变介电常数式若电介质l为空气(εr1＝1)，当l＝0时传感器的初始电容：

当介质2进入极间l后引起电容的相对变化为:

可见，电容的变化与电介质2的移动量l成线型关系。上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。第15页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式

当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0，可知其初始电容量C0为:第16页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ0时，电容量增大ΔC，则有:电容相对变化量为:第17页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式如果满足条件(Δδ0/δ0)<<1，上式可按级数展开成:略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系：灵敏度S为：第18页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式如果考虑线性项及二次项，则:相对非线性误差ef为：可见，δ0的减小会导致非线性误差增大；δ0过小还可能引起电容器击穿或短路。第19页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式设两种介质的相对介电质常数为εr1、εr1(对于空气：εr1＝1)，相应的介质厚度为δ1、δ2，则有:210ACdde+=第20页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式动极板置于两定极板之间。初始位置时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容相等。当动极板向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；两组电容一增一减。可得电容总的相对变化量为：

第21页，课件共70页，创作于2023年2月5.1.4差动式略去高次项，可得近似的线性关系：相对非线性误差ef′为：差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。第22页，课件共70页，创作于2023年2月5.2电容式传感器的特点电容式传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，通过它将被测物理量的转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压，电流或频率信号。电容传感器具有以下优点：可获得较大的相对变化量——电容传感器的相对变化量可达到100%或更大能在恶劣环境条件下工作——电容传感器可在高温、低温和强辐射等环境下工作，其原因在于这种传感器通常不一定需要使用有机材料或磁性材料，而这些材料是不能用于上述恶劣环境中的第23页，课件共70页，创作于2023年2月5.2电容式传感器的特点电容器工作所需的激励源功率小——电容传感器采用真空、空气或其他气体作为绝缘介质时，介质损失非常小，自身发热问题可不予以考虑，激励源提供的电流也较小动态响应快——由于电容式传感器具有较小的可动质量，动片的谐振频率较高，可用于动态测量第24页，课件共70页，创作于2023年2月5.3电容式传感器的测量转换电路5.3.1桥式电路5.3.2紧耦合电桥电路5.3.3差分脉冲调宽电路5.3.4调频电路5.3.5运算放大电路第25页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.3差分脉冲调宽电路第26页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.3差分脉冲调宽电路当该电路用于差动式变极距型电容传感器时有：用于差动式变面积型电容传感器时有：第27页，课件共70页，创作于2023年2月5.3电容式传感器的应用5.3.1电容式压力（压差）传感器5.3.2电容式加速度传感器5.3.3电容式物位传感器5.3.4电容式位移传感器5.3.5电容式湿度传感器5.3.6电容式指纹识别传感器第28页，课件共70页，创作于2023年2月1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹膜片6—导压硅油7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—

腔5.3.1电容式压力（压差）传感器第29页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.1电容式压力（压差）传感器第30页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.1电容式压力（压差）传感器第31页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.1电容式压力（压差）传感器投入式水位计第32页，课件共70页，创作于2023年2月

1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）5.3.2电容式加速度传感器第33页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.2电容式加速度传感器第34页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.2电容式加速度传感器第35页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.3电容式物位传感器第36页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.4电容式位移传感器第37页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.4电容式位移传感器第38页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.4电容式位移传感器变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01

m至数十毫米、精度可达0.002

m、分辨率可达0.001nm。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.2%、分辨率为0.01～0.001

m。电容式角度和角位移传感器的动态范围为0.1″至几十度，分辨率约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为0～50

m、频率为10～20kHz，灵敏度高于0.01

m，非线性误差小于0.05

m。第39页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.5电容式湿度传感器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。当相对湿度增大时，吸湿性介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大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。第40页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.5电容式湿度传感器第41页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.6电容式指纹识别传感器第42页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.6电容式指纹识别传感器 一般半导体金属阵列上能集成大约100,000个电容传感器，其外面是绝缘的表面。 当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面。它们的电容值随着脊（近的）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。第43页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器环氧树脂的电路基板第44页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第45页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第46页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第47页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第48页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器厚度2~5mm第49页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第50页，课件共70页，创作于2023年2月5.3.7电容触摸传感器第51页，课件共70页，创作于2023年2月第52页，课件共70页，创作于2023年2月第53页，课件共70页，创作于2023年2月第54页，课件共70页，创作于2023年2月第55页，课件共70页，创作于2023年2月第56页，课件共70页，创作于2023年2月第57页，课件共70页，创作于2023年2月第58页，课件共70页，创作于2023年2月第59页，课件共70页，创作于2023年2月第60页，课件共70页，创作于2023年2月第61页，课件共70页，创作于2023年2月第62页，课件共70页，创作于2023年2月第63页，课件共70页，创作于2023