电容式传感器的应用.

复习总结与电阻式、电感式传感器相比的优点：第3章电容式传感器1.测量范围大：相对变化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。复习总结与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：第3章电容式传感器1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。3.4电容式传感器的应用第3章电容式传感器电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用主要讨论球、平面型差动电容压力传感器。1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片(测量膜片)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(感压膜片)10—腔1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用主要讨论球、平面型差动电容压力传感器。凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PLPH1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。CH相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效电路1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用dxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效电路000;ALLAALACCCCCCCCCC即：需要解决的问题是：中心膜片处于平直状态时，C0=C(d0)=?；当PHPL模片上凸db时，CA=C(dx)=?。00AHACCCCC1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用Rbadbd0实线为球冠型固定电极设膜片半径为a，球冠形固定电极的半径为R，固定电极的实际拱底半径为b，拱底距膜片的距离为db，当d0R时：002lnbdCRd在PH-PL作用下,LHLHLHAPPkPPbaalnTbaalnPPTC1144222222其中k是一个与传感器结构有关的系数。1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用00;ALACCCCC00AHACCCCC002lnbdCRd1AHLCkPP121112LHSCLHCCCCUUUCCCC利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0:输出USC与差压PH-PL成正比。0011SCHLACCUUUPPCkAHLHLAAHLAAAAAAHLCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC020220202200000而所以1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用各种电容式差压变送器外形1.电容式差压变送器3.4电容式传感器的应用2.电容式测微仪3.4电容式传感器的应用非接触式精确测量位移和振动幅度。在最大量程为(100±5)um时，最小检测量可达0.01um。a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器0SCCdUES假设采用运算法测量电路，则输出电压和位移成线性关系。3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。变介质型电容传感器3.1基本工作原理1222122lnlnhhhCRRrr112122ln;hCRhRrhhr、是同心圆的半径右图相当于两个电容器的并联，1、2为筒状极板。上面的电容器以ε2为介质，下面的电容器以ε1为介质。12CCC电容液位计原理图变介质型电容传感器3.1基本工作原理121211122122lnln22lnlnCCChhhRRrrhhRRrr22,lnhARr令122lnKRr1CAKh则其中,A为常数，K为灵敏度系数电容C与液位h1之间呈线性关系.3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用(1)安装形式电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而有差别.右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。1-内电极；2-绝缘套3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用电容式水位探头图中电容随水位高度hx变化的关系为：2lnxxhCDd式中D——探头内径；d——测定电极的直径；hx——水位高度；ε0——空气的相对介电常数；ε——绝缘层的介电常数；可以看出，D与d相差越小，传感器的灵敏度越高。Ddε0εhx测定电极绝缘层水3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。1、2-内、外电极；3-绝缘套；4-流通孔安装形式3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用电容式料位和液位传感器测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1hx图中电容随料位高度hx变化的关系为：10lnxxkhCDd（）式中k——比例常数；D——储罐的内径；d——测定电极的直径；h——被测物料的高度；ε0——空气的相对介电常数；ε1——被测物料的相对介电常数；3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用被测电容Cx可以配置一个环形二极管电路进行检测。AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e用环形二极管充放电法测量电容的基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。基本工作原理：3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e环形二极管电路输入方波加在电桥的A点和地之间。Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容；C为滤波电容；A为直流电流表。3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e环形二极管电路当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx充电的电流i1所示的方向；对Cd充电的电流如i3所示方向。在充电过程中(T1这段时间)，VD2、VD4一直处于截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为：q1=Cd(E2-E1)3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e环形二极管电路当输入的方波由E2跃变到E1时，电容Cx和Cd放电；电压皆由E2放电到E1。对电容Cx放电的电流i2所示的方向；对Cd放电的电流如i4所示方向。在放电过程中(T2这段时间)，VD1、VD3一直处于截止状态。在T2这段时间内由C点向A点流动的电荷量为：q2=Cx(E2-E1)3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用环形二极管电路设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数)，则由C点流向A点的平均电流为I2=Cxf(E2-E1),而从A点流向C点的平均电流为I3=Cdf(E2-E1),流过此支路的瞬时电流的平均值为)()()(1212dxdxCCEfEEfCEEfCI式中,ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E1。令Cx的初始值为C0，ΔCx为Cx的增量，则Cx=C0+ΔCx,调节Cd=C0则xdxCEfCCEfI)(由上式可以看出，I正比于ΔCx。3.电容式液位计3.4电容式传感器的应用环形二极管电路()xdxIfECCfECAVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2eΔE=E2-E1；f=1/T0，为方波的频率；2lnxxhCDdDdε0εhx测定电极绝缘层水在方波频率和幅值一定的情况下，输出电流的变化与液位成正比。4.湿度测量3.4电容式传感器的应用湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。HM1500湿度传感器当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。5.电容式键盘3.4电容式传感器的应用常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。利用变极距型电容传感器实现信息转换.6.电容式传声器3.4电容式传感器的应用驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。7.电容式指纹传感器3.4电容式传感器的应用目前的指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。(1)半导体压感式传感器其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。(2)半导体温度感应传感器它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。(3)硅电容指纹图像传感器这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。7.电容式指纹传感器3.4电容式传感器的应用传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。7.电容式指纹传感器3.4电容式传感器的应用指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污