第4讲 电容式传感器

第四讲电容式传感器主讲：何惠芳QQ：36894632电容式传感器——利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件。测量范畴：位移压力厚度温度转速۩电容式传感器（课本P42）平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变介质型电容传感器(ε)变面积型电容传感器(S)变极距型电容传感器(d)dSC۩4.1电容式传感器的工作原理及类型一、工作原理（课本P42）۩4.1电容式传感器的工作原理及类型一、工作原理（课本P42）（1）变极距型电容传感器若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有00dSc()r0)111(0000dddSdSddSC00001ddCddCdd当时，变极距式电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度10dd01ddCCK为了获得高灵敏度，一般d0较小，但d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片。۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P42）灵敏度非线性01ddCCK（忽略了线性及以上高次项）00011ddddCC23000000[1...]CdddddCddddd泰勒展开非线性误差：232000000()()...()100%100%dddddddddddd（1）变极距型电容传感器——灵敏度和非线性۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P42）目的：提高灵敏度减小非线性误差...])()(1[/11302000001ddddddCddCC...])()(1[/11302000002ddddddCddCC...])(2)(22[50300021ddddddCCCC非线性误差：%100)(%100)/(2)/(220030dddddd灵敏度：02CCKdd350000022()2()...2CddddCdddd（1）变极距型电容传感器——差动平板电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P42）（2）变面积型电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为dbxaCCCr)(00△C与△x间呈线性关系axcc0（2）变面积型电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）0000dsCr0000)1(CCdCr当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系（2）变面积型电容传感器——角位移传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）0cc柱式7dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010dDhCln)(2010电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度。（3）变介电常数型电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）（3）变介电常数型电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000)1(LLCCCCCr电容变化与电介质的移动量L成线性关系。（3）变介电常数型电容传感器۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。（3）变介电常数型电容传感器——用途۩4.1电容式传感器的工作原理及类型二、类型（课本P43）电容传感器的特点：电容量小，变化更小（pF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。۩4.2电容式传感器的特点及测量电路一、特点（课本P44）调频电路运算放大器式电路二极管双T形交流电桥脉冲宽度调制电路۩4.2电容式传感器的特点及等效电路二、测量电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce：ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。۩4.2电容式传感器的等效电路二、测量电路（1）等效电路11LCf21特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。۩4.2电容式传感器的等效电路二、测量电路（2）调频电路运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题；要求Zi及放大倍数足够大；为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定；由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难。۩4.2电容式传感器的等效电路二、测量电路（3）运算放大器式电路正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1≠C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU})]()([{1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：该电路电源频率MHz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。当电容以pF级变化时，输出以V级变化。۩4.2电容式传感器的等效电路二、测量电路（4）二极管双T形交流电桥C1充电，VF。当VFVref时，D=0Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。C2充电，VG。当VGVref时，D=0Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0B双稳态触发器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时，有10UdduAB۩4.2电容式传感器的等效电路二、测量电路（5）脉冲宽度调制电路۩4.3电容式传感器的应用۩4.3电容式传感器的应用P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可۩4.3电容式传感器的应用（课本P46）电容式差压传感器231B面A面546Cx1Cx21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度۩4.3电容式传感器的应用（课本P46）差动电容式加速度传感器两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上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Cx1、Cx2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。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۩4.3电容式传感器的应用（课本P46）电容式加速度传感器在汽车中的应用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。۩4.3电容式传感器的应用（课本P46）汽车气囊的保护作用气囊气囊传感器安装位置۩4.3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a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器۩4.3电容式传感器的应用电容式位移传感器应用结构原理如图：dC۩4.3电容式传感器的应用电容测厚仪：轧制金属厚度在线监测•传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声－电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。•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，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加60～200V的极化电压源，一般在专业领域使用较多。驻极体电容传声器大膜片电容传声器۩4.3电容式传感器的应用电容传声器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：۩4.3电容式传感器的应用指纹识别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。۩4.3电容式传感器的应用指纹识别۩4.3电容式传感器的应用电容转速计