电容传感器(传感器工作原理及应用实例)

第六节电容式传感器

以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器在力学量的测量中占有重要地位，它可以对荷重、压力、位移、振动、加速度等进行测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等许多优点，因此，在自动检测技术中得到普遍的应用。

一、电容式情感器的工作原理

现以平板式电容器来说叫电容式传感器的工作原坝。电容是由两个金属电极，中间有腰电介质构成的，如图4．36所示。出合构极板N加3：

电压时，电极广就盒贮存有电荷．所以电容器实际6：

是—个储存电场能的元件。平板式电容器在忽略边缘6A质

效应时，其电容虽(：可长尔为

C—：半—l‘d4／J

(‘——电容量(F)；

e一两极板间介质的介电常数(F／m)；

‘，一一两极板间介质的相对介电常数；

q一一真空的介电常数，等于8．85xlo

4——极板的面积(m’)；

J——极板间的距离(m)。

从上式可知，当其中的允、J、q中的任一项发生变化时，都会引起电容量c的变化。在

实际使用时，常使4、6f、q参数中的两项固定，仅改变其中—个参数来使电容量发生变化、根

据上述工作原理．电容式传感器可分为三种类型，即改变极板面积的变面积式，改变圾板距离的变间隙式。改变介电常数的变介电常数式。在力学传感器中常使用变间隙式电容传感器。

二、电容式传感器的特点

(1)结构简单．性能稳定

(2)阻抗高，功率小；。

(3)动态响应好，灵敏度高，分辨力强：

(4)没有由于振动引起的漂移；

(5)闭试导线分布电容对测旦误差影响较大；

(6)电容量的变化与极板间距离变化为非线性。

表小5列出了电容式与压电式、应变式、压阻式传感器之间的特性对比。从表中可以

看出电容式传感器在技术特性上比其它传感器有着一系列的优点。

三、电容式荷宣传感器

四4．37所示为电容式荷重传感器的结构示意图。’映在镍铅钥钠块厂加[出“排尺寸川间且等距的圆孔，在园孔内樊[：帖接村

带绝缘支架的平板式电容器，然后将每个

咀孔内的电容器并联。当钢块端酣承受重

量F作用时，圆孔将产生变形．从而使每

个电容器的极板间距变小，电容设增大。电

容器容景肋增值正比于被测载荷少。

这种传感器主要的优点是由于受接触

面的影响小、因此测盟精度较南。另外电

容器放于钢块的孔内也提高厂抗干扰能

力。它在地球物理、表面状态检测以及自

动检验和控制系统中得到了应用。

四、电容式压力传感器

电容式压力传感器在结构J：有单端式

相差动式明仲形式t因为差动式的灵敏62较高，

都采用差动形式。

所以电容式压力传感器大

图4．38是差动式电容压力传感器的结构图。它主要由一个膜式动电极相两个在凹形玻璃

卜电镀成朗固定电圾组成差动电容器。当被测压力或压力差作用：3：膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电容量．一个增大，—

个减小。该电容值的变化经测量电路转

换成4压力或压力差相对应的电流或电

压的变化。

差动式电容压力传感器的测量电路

常采用双丁型电娇电路。双T型电桥电

路见因4．39所尔。其中e为对称方波的

高频信号源；赊和c2为差动式电容传

感器的一对电容；Rl为测量仪表的内

阻；vl)l和VD?为性能相同的两个二极

管；AI＝R2为固定电阻。

啪f为正半用时，vDl即迥．vI)：救

止，电容(：，充电孕电压且．电流经RI流向RI。与此同时，(：：通过R2向Rl放电*当f为负半周时、vDz导通、vI)l截d：，电容(：?充

电至电压且．电流经只z流向R，‘与此同时，A通过R，向Rl放电。

当酥＝C，／A；即没有压力输结传感器时，在f的一·个周期内流过负载RI的平均值为零，

RI[：无情号输出。当有压力作用在膜片ULf，(：，士c：，在负载电阻上的平均电流不为零，Rl

上有传导输出。

双T电桥电路具有结构简单、动态响应快、灵敏度简练优点。

五、电容式加速度情感器

图4．40是电容式加速度传感器的工作原理图*传感器由两个差动电容组成、上极板与悬

梁构成cr，悬梁与下极板构成电容c2。当加速度为零时，悬梁处在上、下极板的中间位置，蜂

＝c2；当有加速度存在时，悬梁产生变形勺极板的距离发牛变化．于足cj羊c2。

电容式加速度传感器目前多采用表面微加工技术制造，如固4．4l所示，它由三个客晶硅

层组成差动电容，第‘—层和第三层是不动的，第二层是悬梁，它在加速度作用下是可运动的。

这种传感器可以和险测电路集成在一起．组成—“个加速度检测模块。其灵敏度可达o．35mv／

8／V。

六、ADxL50电容式集成加速度信感S

图4．42是ADxL50电容式集成加速度传感器的电路框图。它由加速度传感器、振荡器、

解调器及放大器等组成。除此之外，Ic片内还集成有3．4V的基准电源。固4．43是电容式加

速度传感器的结构图，在硅片k 安装有类似H 状的弹性元件、在弹性元件L 加I ：有42组动极

片，它们和阑定极片是等间隔的。因此所形成的电容C ＝认。勺欣片受到加速度作用时，弹

性允件位移．劝圾片利固定极片的位置会发生变化，此时．斟乒岛。通过检测电容吸的变化就

呵以枪测出怜感器所受到的加速度的大小。

图4．44所示为从传感器到放大器输出之间的电路原5q旧。在传感器固定极片[：加有

1MHz的振荡脉冲馆早。电传感器没有受到加速度作muf，出f：cl和认购电容量相等。加到

固定极片上的脉冲俏哥d31：相位相反丽相久抵消，输出伯母勿答，见田4．化(3)所尔。电传感

器受到加速度作则时．出于固定极片值移，斡和(4均发小变化．Au充两个固定极片广的两个

脉冲倍号的相他获，将随凸祁(：：两个湃员差啊变化。两个脉冲信号在幼极片门刚队；输出trl

图4．化(b)所尔的波形。

解调器使用1MHz脉冲宽度为向步时钟，对功极片输出的倍9解调。增加速废人i1。

人内

时，解调器输出为正电压；当加速度为反方向时，解调器输出为负电压。输出电压的帜伯，将i1：比J：加速度的大小。通道1：述：[作过程，就能够将加速度的变化转换为自流电压输出。解

调后的直流电压，经放大器放大．输出电压的灵敏度为19mv／8。加速度的最大测量范围为

i 508，相应的电压输出足为io．95v。