4-1_电容式传感器.

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内容学习要求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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。我们先来看个例子，来体会一下将非电量转化为电容值的变化。概述图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器实例：指纹识别传感器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。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：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。•平行板电容器的电容为：dSC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？4.1电容式传感器原理及类型4.1.1工作原理4.1.2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(d)的变极距型传感器改变极板遮盖面积（S）的变面积型传感器改变介质介电常数（ε）的变介电常数型传感器电容式传感器变极距型变面积型变介电常数型电容传感器分类结构图如下一、变极距型电容传感器极距式电容传感器当传感器的ε和S为常数,初始极距为d时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为dSC0若电容器极板间距离由初始值d缩小Δd,电容量增大C,则有ddSCCC01(4-2)dddCddddSdSddSC0一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器由式（4-2）可知,C与d不是线性关系。但当△d＜＜d时，可以认为C-d是线性的,所以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。传感器灵敏度：dCdCk0(4-3)另外,由式（4-3）可以看出,在d较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC增大C0/d的倍数,从而使传感器灵敏度提高。但d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）作介质一、变极距型电容传感器为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。二、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。+++二、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。二、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h变化时，电容量也随之变化其电容为：)/ln(212rrhC二、变面积型电容式传感器对于电容间覆盖面积由S变为S′时，则电容变化量为：dSdSdSC'二、变面积型电容式传感器由上式可见，电容的变化量与面积的变化量成线性关系。三、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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。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•a、b、lx——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//)(0xxabC00/)(//)(xxxxlabblC)/ln((2)/ln(212)0120rrhrrhCx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：图b中：图c中：图a中：三、变介质型电容式传感器ε：液体介质的介电常数ε0:空气的介电常数；h:电极板的总长度；r1、r2：电极板的内、外径；1201201212021ln)(2ln2ln2ln)(2rrhrrhrrhrrhhCCCxxx1200ln2rrhC液面高度为0时，电容量为：当液面高度不为0时，电容量为：4.2电容式传感器的灵敏度及非线性变极距型(变间距型)电容传感器00sCd当传感器的ε和S为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为当增量时电容C增量0CCCdC0dΔdC0d0dCΔCddd0