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容栅式传感器本章内容：测量技术基础变换原理：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:+++Aδ、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一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型变极距：δ取值不能大，否则将降低灵敏度一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型差动电容变化量优点：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一、间隙变化型§5.2电容式传感器的结构类型驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯
材料
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作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，
表
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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。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）和沟（远的）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二、变面积型§5.2电容式传感器的结构类型(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电容式接近开关三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型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三、变介质型§5.2电容式传感器的结构类型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消除寄生电容
方法
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1、减小连线电缆长度;2、采用等电位驱动技术。§5.3电容式传感器的性能特点(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，漏电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈rreCeL§5.4电容式传感器的测量电路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
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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调频测量电路§5.4电容式传感器的测量电路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3、湿敏电容模块及传感器§5.5电容式传感器的应用吸水高分子薄膜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 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电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用5、电容式接近开关§5.5电容式传感器的应用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b)测轴回转精度和轴心偏摆a)测振幅被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器8、电容式位移传感器应用§5.5电容式传感器的应用
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