1、1,復(fù)習(xí)總結(jié),與電阻式、電感式傳感器相比的優(yōu)點：,第3章 電容式傳感器,1.測量范圍大：相對變化量可達(dá)100%。,2.靈敏度高：可達(dá)10-7。,3.動態(tài)響應(yīng)時間短：可動部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動態(tài)信號的測量。,4.機(jī)械損失小：電極間引力小，無摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。,5.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)：金屬做電極，無機(jī)材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強(qiáng)輻射，適合于惡劣環(huán)境工作。,2,復(fù)習(xí)總結(jié),與電阻式、電感式傳感器相比的不足之處：,第3章 電容式傳感器,1.寄生電容影響大：導(dǎo)線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。 2.當(dāng)用變間隙原理進(jìn)行測量時，具有非線性輸出特性。,由于材料

2、、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。,應(yīng)用： 壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。,3,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,第3章 電容式傳感器,電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。,4,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,高壓側(cè)進(jìn)氣口,低壓側(cè)進(jìn)氣口,電子線路位置,內(nèi)部不銹鋼

3、膜片的位置,5,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。,1高壓側(cè)進(jìn)氣口 2低壓側(cè)進(jìn)氣口 3過濾片 4空腔 5柔性不銹鋼波 紋隔離膜片(測量膜片) 6導(dǎo)壓硅油 7 凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極 9彈性平膜片(感壓膜片) 10 腔,6,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。,7,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,當(dāng)PH=PL時，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0； 當(dāng)PHPL時，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。 CH 相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容C

4、A和C0的串聯(lián)；而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。,8,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,即：,需要解決的問題是：中心膜片處于平直狀態(tài)時，C0=C(d0)=?；當(dāng)PHPL模片上凸db時，CA=C(dx)=?。,9,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,設(shè)膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實際拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為db，當(dāng)d0R時：,在PH-PL作用下,其中k是一個與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。,10,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0 :,輸出USC與差壓PH-PL成正

5、比。,而,所以,11,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,各種電容式差壓變送器外形,12,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,13,2. 電容式測微儀,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,非接觸式精確測量位移和振動幅度。在最大量程為(1005)um時，最小檢測量可達(dá)0.01um。,a)測振幅,b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺,假設(shè)采用運算法測量電路，,則輸出電壓和位移成線性關(guān)系。,14,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量。依此原理還可進(jìn)行其它形式的物位測量。對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量

6、有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。,15,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,右圖相當(dāng)于兩個電容器的并聯(lián)，1、2為筒狀極板。上面的電容器以2為介質(zhì)，下面的電容器以1為介質(zhì)。,電容液位計原理圖,16,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,其中,A 為常數(shù)，K為靈敏度系數(shù),電容C與液位h1之間呈線性關(guān)系.,17,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,(1)安裝形式 電容式液位計的安裝形式因被測介質(zhì)性質(zhì)不同而有差別. 右圖為用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作

7、為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。,1-內(nèi)電極；2-絕緣套,18,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,電容式水位探頭,圖中電容隨水位高度hx變化的關(guān)系為：,式中 D探頭內(nèi)徑； d測定電極的直徑； hx水位高度； 0空氣的相對介電常數(shù)； 絕緣層的介電常數(shù)；,可以看出，D與d相差越小，傳感器的靈敏度越高。,19,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,右圖為用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。,1、2-內(nèi)、外電極； 3-絕緣套； 4-流通孔,安裝形式,20,3. 電容式液

8、位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,以上介紹的兩種是最一般的安裝方法，在有些特殊場合還有其它特殊安裝形式，如大直徑容器或介電系數(shù)較小的介質(zhì)，為增大測量靈敏度，通常也只用一根電極，將其靠近容器壁安裝，使它與容器壁構(gòu)成電容器的兩極；在測大型容器或非導(dǎo)電容器內(nèi)裝非導(dǎo)電介質(zhì)時，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；,在測極低溫度下的液態(tài)氣體時，一個電容靈敏度太低?？扇⊥S多層電極結(jié)構(gòu)，把奇數(shù)層和偶數(shù)層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極，變成相當(dāng)于多個電容并聯(lián)，以增加靈敏度。,21,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,電容式料位和液位傳感器,測定電極安裝在金屬儲罐的頂部，儲罐的罐壁和測定電極

9、之間形成了一個電容器。,圖中電容隨料位高度hx變化的關(guān)系為：,式中 k比例常數(shù)； D儲罐的內(nèi)徑； d測定電極的直徑； h被測物料的高度； 0空氣的相對介電常數(shù)； 1被測物料的相對介電常數(shù)；,22,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,被測電容Cx可以配置一個環(huán)形二極管電路進(jìn)行檢測。,用環(huán)形二極管充放電法測量電容的基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進(jìn)行充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。,基本工作原理：,23,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,環(huán)形二極管電路,輸入方波加在電橋的A點和地之間。 Cx為被測電容，Cd為平

10、衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容； C為濾波電容； A為直流電流表。,24,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,環(huán)形二極管電路,當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。 對電容Cx充電的電流i1所示的方向； 對Cd充電的電流如i3所示方向。 在充電過程中(T1這段時間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T1這段時間內(nèi)由A點向C點流動的電荷量為 ： q1=Cd(E2-E1),25,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,環(huán)形二極管電路,當(dāng)輸入的方波由E2躍變到E1時，電容Cx和Cd放電；電壓皆由E2放電到E1。 對電容Cx放電的電流i2

11、所示的方向； 對Cd放電的電流如i4所示方向。 在放電過程中(T2這段時間)，VD1、 VD3一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T2這段時間內(nèi)由C點向A點流動的電荷量為 ： q2=Cx(E2-E1),26,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,環(huán)形二極管電路,設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))， 則由C點流向A點的平均電流為I2=Cxf(E2-E1), 而從A點流向C點的平均電流為I3=Cdf(E2-E1), 流過此支路的瞬時電流的平均值為,式中, E為方波的幅值，E=E2-E1。 令Cx的初始值為C0，Cx為Cx的增量，則Cx=C0+Cx, 調(diào)節(jié)Cd=C0則,由上式可

12、以看出，I正比于Cx。,27,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,環(huán)形二極管電路,E=E2-E1；,f=1/T0，為方波的頻率；,在方波頻率和幅值一定的情況下，輸出電流的變化與液位成正比。,28,4. 濕度測量,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。,HM1500濕度傳感器,當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。,29,5. 電容式鍵盤,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,常規(guī)的鍵盤有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。 電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理

13、是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小。,利用變極距型電容傳感器實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換.,30,6. 電容式傳聲器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,駐極體電容傳聲器,大膜片電容傳聲器,傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。 電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。,31,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。,(1) 半導(dǎo)體壓感式傳感器 其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指

14、紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號,并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。,(2) 半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器 它通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。,(3) 硅電容指紋圖像傳感器 這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個電容傳感器,其外面是絕緣的表面。,32,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,傳感器陣列的每一點是一個金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容值不同,測量并記錄各點的電容值,就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。,33,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準(zhǔn)確率，有效防止辨識錯誤。,34,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,西門子推出的“ID Mouse” 鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識別，使用者就可以啟動PC的操作系統(tǒng)。如