第04章 电容式传感器

Capacitor第一节第二节第三节第四节电容传感器测量电路电容传感器分类电容传感器原理电容传感器应用学习要求感性认识Capacitor学习要求1.掌握电容式传感器工作原理2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点3.了解电容式传感器的测量电路Capacitor指纹识别传感器指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器Capacitor电容式指纹识别传感器•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。•下图为指纹经过处理后的成像图：Capacitor电容式指纹识别传感器Capacitor电容式指纹识别传感器•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Capacitor电容式指纹识别传感器•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。Capacitor电容式指纹识别传感器它的优点：体积小成本低成像精度高耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。Capacitor4.1电容传感器原理•电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。•实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器Capacitor4.1电容传感器原理•平行板电容器的电容为：+++A+++A+++AAc(4-1)上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？Capacitor4.2电容传感器分类根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种：改变极板间距离(δ)的极距型传感器改变极板遮盖面积（A）的面积型传感器改变电介质介电常数（ε0）的介质型传感器Capacitor4.2电容传感器分类电容式传感器极距型面积型介质型电容传感器分类结构图如下Capacitor4.2.1极距式电容传感器极距式电容传感器当传感器的εr和A为常数,初始极距为δ0时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为000Acr(4-2)+++Capacitor4.2.1极距式电容传感器若电容器极板间距离由初始值δ0缩小Δδ,电容量增大C,则有00000011CCcACCCr(4-3)Capacitor4.2.1极距式电容传感器由式（4-3）可知,传感器的输出特性C=f(δ)不是线性关系,而是双曲线关系此时C1与δ近似呈线性关系,所以变极距型电容式感器只有在Δδ/δ0很小时,才有近似的线性输出Capacitor4.2.1极距式电容传感器另外,由式（4-3）可以看出,在δ0较小时,对于同样的Δδ变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但δ0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Capacitor4.2.1极距式电容传感器此时电容C变为:000ggAC(4-4)Capacitor4.2.1极距式电容传感器式中:εg—云母的相对介电常数,εg=7ε0—空气的介电常数,ε0=1d0—空气隙厚度dg—云母片的厚度Capacitor4.2.1极距式电容传感器云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,式（4-4）中的(dg/ε0εg)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。Capacitor4.2.1极距式电容传感器一般变极板间距离电容式传感器•起始电容在20～100pF之间,•极板间距离在25～200μm的范围内,•最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器•改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。•图为典型的角位移型电容式传感器当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器+++Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器•当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为s=ar2/2，电容量为：•其灵敏度为：220arcr常数220rdadCd（4-5）（4-6）Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器•线位移型电容式传感器•平面线位移型和圆柱线位移型两种。Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器•对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化•电容量为：C=(ε0εbx)/δ•其灵敏度为：常数bdxdCd0（4-7）Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器•对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化•其电容为：)/ln(212rrxC（4-8）Capacitor4.2.2变面积型电容式传感器式中x——外圆筒与内圆筒覆盖部分长度；r1、r2——外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径其灵敏度为：常数)/ln(2120rrdxdCd（4-9）Capacitor4.2.3变介电常数型电容传感器•变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示Capacitor4.2.3变介电常数型电容传感器•这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)•还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。Capacitor4.2.3变介电常数型电容传感器•若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为：//)(0xxlbC00/)(//)(xxxxalbbaC)/ln((2)/ln(212)0120rrhrrhCx图a中：图b中：图c中：（4-10）（4-11）（4-12）Capacitor4.2.3变介电常数型电容传感器式中•δ、h、ε0——两固定极板间的距离、极间高度及间隙中电介质的介电常数•δx、hx、ε——被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数•l、b、ax——固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）•r1、r2——内、外极筒的工作半径Capacitor4.3电容式传感器的常用测量电路用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:运算放大器测量电路双T电桥电路此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等调频电路脉冲调制电路Capacitor等效电路Capacitor4.3.1调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。Capacitor4.3.1调频测量电路•虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正•因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来•调频测量电路原理框图如图所示：Capacitor4.3.1调频测量电路图中调频振荡器的振荡频率为：21)(21LCf（4-13）Capacitor4.3.1调频测量电路式中:L—振荡回路的电感;C—振荡回路的总电容,C=C1+C2+C0±ΔC其中:C1为振荡回路固有电容C2为传感器引线分布电容C0±ΔC为传感器的电容Capacitor4.3.1调频测量电路当被测信号为0时,ΔC=0,则C=C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有频率f0:210210])[(21LCCCf（4-14）Capacitor4.3.1调频测量电路当被测信号不为0时,ΔC≠0,振荡器频率有相应变化,此时频率为ffLccccf021021])[(21（4-15）Capacitor4.3.1调频测量电路调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控Capacitor4.3.2运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数K非常大,而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。Capacitor4.3.2运算放大器式测量电路由运算放大器工作原理可得式中：Cx为电容式传感器的电容是输出信号电压是交流电源电压iU0UixUCCU0（4-16）Capacitor4.3.2运算放大器式测量电路如果传感器是一只平板电容,则Cx=εA/d,代入上式,有dAcUUi0（4-17）式中“-”号表示输出电压U0的相位与电源电压反相Capacitor4.3.2运算放大器式测量电路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。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题但要求Zi及A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C值稳定Capacitor4.3.3双T电桥电路这种测量电路如图所示，图中:C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容RL为负载电阻V1、V2为理想二极管R1、R2为固定电阻Capacitor4.3.3双T电桥电路二极管双T型交流电桥电路原理图Capacitor4.3.3双T电桥电路电路的工作原理如下：当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻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Capacitor4.3.3双T电桥电路若传感器输入不为0,则C1≠C2,那么I1≠I2,此时RL上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均值为TRIULL10dttItIT)]()([201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL（4-18）式中f为电源频率Capacitor4.3.3双T电桥电路当RL已知,式中［R（R+2RL）/（R+RL）2］RL=M（常数）,则:Uo=EifM(C1-C2)（4-19）从式（4-19）可知,输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关Capacitor4.3.3双T电桥电路当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高,当电源频率为1.3MHz,电源电压Ei=46V时,电容从-7～+7pF变化,可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。Capacitor4.3.3双T电桥电路当Ui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,其值为1～100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右,故可用来测量高速的机械运动。Capacitor4.4电容传感器应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01～较大的位移，0.001m。Capacitor4.4电容传感器应用一、电容式压力传感器二、电容式加速度传感器三、差动式电容测厚传感器四、电容式料位传感器五