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1、,目,录,图1 电容式传感器工作原理图,电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过测量电路将电容量的变化转换成电信号输出。电容式传感器实际上是一个可变参数的电容器。,（1）变面积式电容传感器,变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。a.线位移变面积型常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线位移型和柱面线位移型两种结构。,图2 线位移型电容式传感器,对于柱状结构，在图（b）中，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为：,对于平板状结构，在图（a）中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为：,式中， ，为初始电容值。,式中， ，为
2、初始电容值。,b.角位移型 角位移型是变面积式电容传感器的派生形式，其派生形式种类较多，如下图所示。,（a）角位移型；（b）齿形极板型；（c）圆筒型；（d）扇型图3 变面积式电容传感器的派生型,在图3（a）中，当动极板有一个角位移 时，它与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致电容量的变化，电容值可表示为：,当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改变极板间距离时，称为变间隙式电容传感器，其结构原理如图所示。图4中，活动极板与被测对象相连。,（2）变间隙式电容传感器,图4 变间隙式电容传感器,（3）变介电常数式电容传感器,当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，也会引起电容量发
3、生变化。变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如图5所示。,（a）柱式 （b）平板式图5 变介电常数式电容传感器,变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。,(a)测介质厚度；(b)测量位移；(c)测量液位；(d)测温度、湿度图6 常见变介电常数式电容传感器,电容
4、式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小，这样微小的电容量目前还不能直接被显示仪表所显示，无法由记录仪进行记录，亦不便于传输。借助测量电路检出微小的电容变化量，并转换成与其成正比的电压、电流或者频率信号，才能进行显示、记录和传输。用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有：普通交流电桥、变压器电桥、双T形电桥电路、紧耦合电感臂电桥、运算放大器式测量电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等。,运算放大器式测量电路的原理图如图7所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可认为是一个理想运算放大器。则输出电压 为：,（1）运算放大器
5、式测量电路,图 7 运放式测量电路原理图,（2）普通交流电桥电路,普通交流电桥测量电路如图8 所示， 为传感器电容， 为等效配接阻抗， 和 分别为固定电容和固定阻抗。,图8 普通交流电桥测量电路,传感器工作前，先将电桥初始状态调至平衡。当传感器工作时，电容 发生变化，电桥失去平衡，从而输出交流电压信号。此信号先经过交流放大器将电压进行放大，再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。电桥的输出电压为：,电容式传感器接入变压器电桥测量电路如图所示，它可分为单臂接法和差动接法两种。,（a）单臂接法 （b）差动接法,（3）变压器电
6、桥电路,图9 变压器电桥电路,图9 (a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。当传感器未工作时，交流电桥处于平衡状态，有：此时，电桥输出电压 。 当 改变时， ，电桥有输出电压，从而可测得电容的变化值。,（a）单臂接法,（b）差动接法,变压器电桥测量电路一般采用差动接法，如图9(b)所示。 以差动形式接入相邻两个桥臂，另外两个桥臂为次级线圈。在交流电路中， 的阻抗分别为：则有，故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为,调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其测量电路原理框图如图所示。当电
7、容工作时，电容变化导致振荡频率发生相应的变化，再通过鉴频电路把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进行显示和记录，这种方法称为调频法。,（4）调频电路,图10 调频电路原理,当传感器未工作时，振荡频率为：用调频电路作为电容式传感器的测量电路具有下列特点：（1）抗干扰能力强，稳定性好；（2）灵敏度高，可测量 级的位移变化量；（3）能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；（4）由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。,电容式传感器的应用非常广泛，它可用来测量液位和物位、压力、加速度、直线位移、角度和角位移、厚度、振动和振
8、幅、转速、温度、湿度及成分等参数。图4-17所示是典型的差动电容式压力传感器。其主要结构为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,（1）电容式压力传感器,电容式压力传感器常用来测量气体或液体的压力。,差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板（与外壳绝缘）和一个质量块组成，中间的质量块采用弹簧片来进行支撑，它的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。,图示为一种圆筒式变面积型电容式位移传感器。它采用差动式结构，其
9、固定电极3与外壳绝缘，其活动电极4与测杆1相连并彼此绝缘。测量时，动电极随被测物发生轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片2为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触式测量。,电容式液位传感器的结构如图所示。测定电极安装在容器的顶部，容器壁和测定电极之间构成了一个电容器。当容器内的被测物有一定液位高度时，由于被测物介电常数的影响，传感器的电容发生变化，电容的变化量与被测液位的高度成线性关系。只要通过测量转换电路检测出电容的变化量，就可以测出液位的高度。,由公式知，电容器的电容量与被测液位高度成线性
10、关系，且两种介质的介电常数相差越大、容器的内径与电极的直径相差越小，传感器的电容变化量就越大，灵敏度就越高。,电容式液位传感器被广泛使用于工业测量中。几类常见的电容式液位传感器如图所示。,（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,电容式传感器测厚的原理如图所示。在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形成两个独立电容。若带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。,图11所示为电容式测厚传感器在板材轧制装置中的应
11、用电路。两块极板用导线连接成一个电极，而板材就是电容的另一个电极，其总电容为,图11 电容式测厚传感器应用电路,电容式指纹识别传感器是一种新型的传感器。它在一些防盗系统、高科技以及重要场合中得到了应用，如用于笔记本电脑、手机及汽车等的指纹识别及防盗，如图所示。,(a)笔记本指纹识别 (b)指纹识别手机 (c)汽车防盗指纹识别图12 电容式指纹识别传感器,（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。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，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。（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
12、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，从而达到辨别指纹的目的。,1电容式传感器的优点（1）温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。（2）阻抗高、功率小，需要输入的动作能量低：电容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适用于低能量输入的测量。（3）动态响应好：电容式传感器由于它的
13、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。（4）结构简单，适应性强：电容式传感器结构简单，易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。,2电容式传感器的缺点（1）输出阻抗高，带负载能力差：电容的容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温度、湿度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。（2）输出特性为非线性：虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才成线性，否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。（3）寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容很小，而其引线电容、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。例如，将信号处理电路安装在非常靠近极板的地方可以削弱泄露电容的影响。,
