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1、4.1 电容式传感器的工作原理和结构4.2 电容式传感器的等效电路4.3 电容式传感器的测量电路4.4 电容式传感器的应用,第4章 电容式传感器,电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。,概述,被测量C U（I）,应用：,电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。,各种电容式传感器,电容式传感器典型应用,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，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
2、条件。,此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换,电容式传感器的典型应用,电容传声器,传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声电换能器件，现在广播娱乐方面使用的绝大多数是动圈式和电容式。,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,电容式传感器的典型应用,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。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器。,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。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。,电容式传感器的典型应用,IBM Thinkp
3、ad T42/T43 的指纹识别传感器。,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（近的）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,电容式传感器的应用,4.1 工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为,0真空介电常数；电容极板间介质的介电常数,A极板相对覆盖面积；d极板间距离；r相对介电常数；,边缘效应,1、增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距，但易产生击穿并限制测量范围,边缘效应不仅使
4、电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以,保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。,带有保护环的电容传感器原理图,2、采用带有保护环（等位环）的结构,变极距(d)型变面积型(A)型变介电常数()型,4.1 工作原理和结构,在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。,根据这一性质，电容式传
5、感器可以分为,4.1 工作原理和结构,一、变极距型电容传感器,当传感器的r和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为,若电容器极板间距离由初始值d0缩小d,电容量增大C,则有(4-1),图4.1.1 电容量与极板距离的关系,由式(4-1)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图 4.1.1 所示曲线关系。,4.1 工作原理和结构,由式(4-1)得，电容相对变化量为,4.1 工作原理和结构,可见电容的相对变化与输入位移d之间的关系也是非线性的，当,4.1 工作原理和结构,此时近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时,才有近似的线性输出。,灵敏度(单位
6、位移引起的输出电容相对变化量)：,考虑二项式的相对非线性误差：,4.1 工作原理和结构,由此可得：(1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。,(4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容结构。,(3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。,(2)非线性随着相对位移d的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。,g=7云母的相对介电常数1=1空气的相对介电常数 d1空气隙厚度 dg云母片的厚度,d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质(如图 所示),此时电容C变为,4.1 工作原理和结构,图4.1.2
7、放置云母片的电容器,当d1减小了d时，电容将增大C，因此电容变为：,4.1 工作原理和结构,因为，可按泰勒级数展开,并可略去高次项得,故灵敏度S可表示为,其非线性误差可表示为,4.1 工作原理和结构,云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为d/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为d/(d1+dg/g)，由于g=71故(d1+dg/g)(d1+dg)=d0，则对同样的d，其非线性误差将增加，线性度将变坏。,4.1 工作原理和结构,云母片的插入对灵敏度的影响：云母片击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有
8、了云母片，极板间起始距离d1可大大减小，可知传感器的灵敏度能大大提高。,二、变面积型电容传感器,图4.1.3 变面积型电容传感器原理图,4.1 工作原理和结构,图是变面积型电容传感器原理结构示意图。通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。,当动极板相对于定极板沿宽度方向平移x时，则电容变化量为,电容相对变化量为,4.1 工作原理和结构,它的灵敏度为,本图也是变面积式电容传感器，是右图的变形,当极板的齿数为n时，移动x后,灵敏度为,可见其灵敏度为单极板的n倍。,4.1 工作原理和结构,图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改
9、变，从而改变了两极板间的电容量。,图4.1.4 角位移传感器,4.1 工作原理和结构,则有：,4.1 工作原理和结构,结论：输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移和角位移。变面积式电容传感器灵敏度S为常数。,它的灵敏度为,可以看出，传感器的电容量C与 角位移呈线性关系。,图是一种常用的结构形式。图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2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。,三、变介质型电容传感器,图4.1.5 变介质型电容式传感器,4.1 工作原理和结构,式中：L0，b0 极板的长度和宽度；L 第二种介质进入极板间的长度。,若
10、电介质r1=1，当L=0时，传感器初始电容为,传感器的总电容量相当于两个电容C1和C2并联：,4.1 工作原理和结构,可见,电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。上述原理可用于非导电流散材料的物位测量。,4.1 工作原理和结构,当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,图是一种圆筒形变极板间介质的电容式传感器，用于测量液位高低。将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。,设被测介质的介电常数为1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D。在没有液体进入之前，这种圆筒形线位移传感器变换器的初始电容值为：,图4.1.6 电容式液位变换器
11、结构原理图,4.1 工作原理和结构,可见,此变换器的电容变化量正比于被测液位高度h。且与被测液位h成线性关系。,当有液位上升时，,4.1 工作原理和结构,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大。,聚四氟乙烯外套,4.1 工作原理和结构,电容式液位计,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的信号。,4.1 工作原理和结构,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智
12、能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,4.1 工作原理和结构,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源指示灯,4.1 工作原理和结构,试判断下述电容式传感元件的结构形式？,4.1 工作原理和结构,4.3 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十分微小，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。这就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。电容转换电路有运算放大器式电路、电桥电路、调频电路、二极管双T型
13、交流电桥、脉冲宽度调制电路等。,一、运算放大器式电路,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。,图是运算放大器的电路原理图。图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压；Uo是输出信号电压；是虚地点。,图4.3.1 运算放大器式电路原理图,4.3 电容式传感器的测量电路,由运算放大器工作原理可知,又有,所以,4.3 电容式传感器的测量电路,4.3 电容式传感器的测量电路,如果传感器是一只平板电容,则Cx=A/d,代入上式,式中“-”号表示输出电压与电源电压反相。此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系 运算放大器电路
14、解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。,4.3 电容式传感器的测量电路,二、电桥电路,图为电容式传感器的电桥测量电路。,图4.3.2 电桥测量电路,一般传感器包括在电桥内，用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号，如（b）所示。,不平衡电桥（变压器电桥）,式中 C1,C2为差动电容传感器。C1C0CC2C0C,4.3 电容式传感器的测量电路,4.3 电容式传感器的测量电路,三、调频电路,调频式测量电路原理框图如图所示。,图4.3.3 电容式传感器调频电路,图中调频振荡器的振荡频率为,式中：L振荡回路的电感；C振荡回路的总电容，C=C1+C2+
15、Cx，其中C1为振荡回路固有电容,C2为传感器引线分布电容,Cx=C0C为传感器的电容。,4.3 电容式传感器的测量电路,4.3 电容式传感器的测量电路,当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为,当被测信号不为0时，C0，振荡器频率有相应变化，此时频率为,引申小知识,收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，如图所示，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到
16、1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。,在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。,四、二极管T型网络,4.3 电容式传感器的测量电路,固定电阻R1=R2=R C1、C2为传感器的两个差动电容,图是二极管双T形交流电桥电路原理图。,e是高频电源，它提供了幅值为E的对称方波,VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,4.3 电容式传感器的测量电路,图4.3.4 二极管双T型交流电桥,4.3 电容式传感器的测量电路,当传感器没有输入时,C1=C2。电路工作原理如下:当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;当e为负半周时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻
17、RL放电,流过RL的电流为I1。在负半周内,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时,C2通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件,则电流I1=I2,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。,4.3 电容式传感器的测量电路,若传感器输入不为0，则C1C2,I1I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为：,式中,f为电源频率。,4.3 电容式传感器的测量电路,当RL已知，上式中,则有,说明该电路测的是差动电容器容量之差。,可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中
18、的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2之差的函数。电路输出电压较高。当电源频率为1.3 MHz，电源电压U=46V时，电容在-77pF变化，可以在1M负载上得到-55V的直流输出电压。,4.3 电容式传感器的测量电路,电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1100k。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1k的负载电阻上升时间为20s左右，故可用来测量高速的机械运动。,4.3 电容式传感器的测量
19、电路,脉冲宽度调制电路如图所示。,五、脉冲宽度调制电路,4.3 电容式传感器的测量电路,图中C1、C2为差动式电容传感器，电阻R1=R2，A1、A2为比较器。,4.3 电容式传感器的测量电路,脉冲宽度调制波形,如图（b）所示,此时uA、uB脉冲宽度不再相等,一个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后,可获得输出,图中:U1触发器输出高电平;T1、T2C1、C2充放电至Ur所需时间。,4.3 电容式传感器的测量电路,由电路知识可知：,将T1、T2代入式UAB,得,4.3 电容式传感器的测量电路,把平行平板电容的公式代入上式,在变极板距离的情况下可得,其中d1、
20、d2分别为C1、C2极板间距离。当差动电容C1=C2=C0,即d1=d2=d0时,uAB=0;若C1 C2,设C1C2,即d1=d0-d,d2=d0+d,则,4.3 电容式传感器的测量电路,由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。,同样,在变面积电容传感器中,则有,4.3 电容式传感器的测量电路,4.4 电容式传感器的应用,一、电容式压力传感器,图4.4.1 差动式电容压力传感器结构图,4.4 电容式传感器的应用,1.图为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示膜片为
21、动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。2.当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所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。,二 电容式加速度传感器,图4.4.2 差动式电容加速度传感器结构图,4.4 电容式传感器的应用,当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度（F=ma）
22、。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,4.4 电容式传感器的应用,加速度传感器在汽车中的应用,假人,气囊,4.4 电容式传感器的应用,三 差动式电容测厚传感器电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测。工作原理如下 在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起（极板间距）电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。,4.4 电
23、容式传感器的应用,差动式电容测厚传感器的测量原理框图如图,4.4 电容式传感器的应用,图 4.4.3 差动式电容测厚仪系统组成框图,4.4 电容式传感器的应用,音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。,电容式转速计,4.4 电容式传感器的应用,图中电容式转速传感器由固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。电容量的周期变化速率即为转速。,电容式键盘,常规的键盘有机械式
24、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，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。,此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换,4.4 电容式传感器的应用,电容传声器,传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声电换能器件，现在广播娱乐方面使用的绝大多数是动圈式和电容式。,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,4.4 电容式传感器的应用,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。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器。,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
25、。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。,4.4 电容式传感器的应用,IBM Thinkpad T42/T43 的指纹识别传感器。,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（近的）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,4.4 电容式传感器的应用,下图是变极距型差动平板式电容传感器结构及其接法示意图。,差动平板式电容传感器结构图,差动式电容结构,动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器
26、C2的间隙d2变为d0+d,则,根据（4-1）,差动式电容结构,动极板位移之前，C1=C2=C0,d1=d2=d0,有,在d/d01时,按级数展开得,动极板位移后，两个电容容量之差,差动式电容结构,电容值相对变化量为,如果只考虑上式中的线性项和三次项,则电容式传感器的灵敏度和相对非线性误差近似分别为,可见，电容传感器做成差动式之后,灵敏度提高一倍,而且非线性误差大大降低了。,差动式电容结构,被测量（d，S，）C U(I,f)1掌握不同类型的电容传感器构成原理及其用途。平行板电容器电容量：柱式电容器电容量：,本章要点：,空气介质的变间隙式电容传感器：灵敏度：非线性误差：线位移变面积式电容传感器：
27、,2.电容传感器输出特性和测量电路 3.电容式传感器的应用,角位移变面积式电容传感器：变介电常数式电容传感器：,1.试述电容式传感器的工作原理与分类。每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？,2.如何改善单极式变极距型电容式传感器的非线性？部分固体介质的变极距式电容传感器的设计目的？3.试计算图中所示各电容式传感元件的总电容。,4.图(a)所示差动式同心圆筒柱形电容传感器，其可动内电极圆筒外经d=9.8mm，固定电极外圆筒内经D=10mm，初始平衡时，上、下电容器电极覆盖长度L1=L2=L0=2mm，电极间为空气介质。试求：（1）初始状态时电容器C1、C2的值；（2）当将其接入图(b)所示差动
28、变压器电桥电路，供桥电压E=10 V（交流），若传感器工作时可动电极筒向上移动x=0.2mm，电桥输出电压的变化量为多少？,5.如图所示正方形平板电容器,四个电容并联，极板长度a=4cm,极板间距离=2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度。极板间介质为空气。,6、有一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=5mm，开始初始间隙=0.3mm，问（1）工作时，如果传感器与工件的间隙缩小1m，电容变化量是多少？（2）若测量电路灵敏度S1=100mV/PF，读书仪表的灵敏度S2=5格/mV，上述情况下，仪表的指示值变化多少格？,7、如图所示的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管
29、双T网络测量电路。差动电容器参数为：a=40mm，b=20mm，dl=d2=d0=1mm；起始时动极板处于中间位置，Cl=C2=C0，介质为空气，=0=8.8510-12F/m。测量电路参数：D1、D2为理想二极管；及R1=R2=R=10K；RL=1M，激励电压Ui=36V，变化频率f=1MHz。试求当动极板向右位移x=10mm时，电桥输出端电压Usc?,1 下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A调频测量电路 B运算放大器电路C脉冲宽度调制电路 D相敏检波电路,2 在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A仅电源电压的幅值和频率 B电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C
30、仅T型网络电容C1和C2大小 D电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小,3 如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）A.保持不变 B.增大一倍C.减小一倍 D.增大两倍,4 差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。AC1-C2 B.C1-C2/C1+C2 C.C1+C2/C1-C2 D.C1/C1+C2/C2,5 当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A灵敏度K0增加 B灵敏度K0不变C非线性误差增加 D非线性误差减小,6 用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。A变间隙式 B变面积式C变介电常数式 D空气介质变间隙式,2、电容式传感器采用 作为传感元件，将不同的 变换转换为 的变化。3、移动电容式传感器的动极板，导致两极板有效覆盖面积A发生变化的同时，将导致电容量的变化，传感器电容该变量C与动极板角位移成 关系。,4、根据工作原理的不用，电容式传感器可分为、和。其中 的输入被测量与输出被测量间的关系是线性的。,变极距型电容式传感器主要用于微位移测量。,
