第05章 电容式传感器

北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制第五章电容式传感器○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○电容式传感器的应用本章内容：测量技术基础北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制变换原理：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,它的电容量为:AArC0+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。变极距型变面积型变介质型传感器类型§5.1电容式传感器的工作原理北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制变极距：CCC0011/CC02311/CC0(/)δ取值不能大，否则将降低灵敏度0.9mm~μm01051101.~一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制差动电容变化量CC2102412ccc优点：1、减小非线性误差2、提高传感器灵敏度3、减小寄生电容的影响4、减小温度、湿度等环境因素的影响实际应用常采用差动式结构。C2C1d1d2ε0ε0Δδ一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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。特点是体积小、性能优越、使用方便。一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制指纹识别•指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。其优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，非常适合在消费类电子产品中使用。•右图为指纹经过处理后的成像图：一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/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）和沟（远）与金属导体之间的距离不同而变化。指纹识别一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制二、变面积型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器二、变面积型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(a)极板上覆盖有介质(b)介质可移动三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容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。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。三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制1.温度稳定性好；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。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。优点:§5.3电容式传感器的性能特点北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制消除寄生电容方法1、减小连线电缆长度;2、采用等电位驱动技术。1:1传感器驱动电缆放大器内屏蔽外屏蔽引出线（芯线）测量电路双层屏蔽电缆§5.3电容式传感器的性能特点北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(1)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本身的电感；r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；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、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。rC0CPRgL§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCeRg§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制高频等效电路电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电阻的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈rreCeLRCjLjCje11§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制调频电路运算放大器式电路二极管双T型交流电桥电桥测量电路脉冲宽度调制电路测量电路类型(2)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，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。§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制调频测量电路§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制ixxuCCuCjCju1)(10SCuui0结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。运算放大电路§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。C2(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C221E0CCMfUU二极管双T型电路§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制电桥电路文氏式电容测量电桥§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制变压器式电桥电路(a)变压器式电桥原理图(b)测量电路电桥电路§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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。脉冲宽度调制电路图脉冲宽度调制电路电压波形§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制设电容C1和C2的极间距离和面积分别为δ1、δ2和S1、S2差动变极距型差动变面积型11212ABUU11221ABUSSSSU特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器具有理论上的线性特性采用直流电源，其电压稳定度高;不存在稳频、波形纯度的要求;不需要相敏检波与解调等;对元件无线性要求;经低通滤波器可输出较大的直流电压;对输出矩形波的纯度要求不高。差动脉冲调宽电路§5.4电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制1、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变化。聚四氟乙烯外套§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制2、硅微加工加速度传感器加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g频率范围：0.5-2000Hz安装谐振点:8kHz分辨力：0.00004g重量：200g安装螺纹：M5mm线性误差：≤1%§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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，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。装有传感器的假人气囊§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制汽车气囊对驾驶员的保护作用§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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。3、湿敏电容§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制3、湿敏电容传感器§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制在野外的使用带报警器的家庭使用型3、湿敏电容传感器的安装使用§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。4、电容式油量表§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制油量表可用于飞机油箱4、电容式油量表§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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来改变动作距离。5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制齐平式非齐平式5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制电容接近开关的规格5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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6、电容式压差变送器§5.5电容式传感器的应用北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制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6、电容式压差变送器§5.