第2章3电容式传感器

电容式传感器第一节工作原理与类型两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为SC一、工作原理将被测量（如尺寸、压力等）转换成电容量。它本身（或和被测物）就是一个可变参数的电容器。—极板间介质的介电常数，（0r，08.854Fm-1）当被测量的变化使式中的、S或任一参数发生变化时，电容量C也随之变化。变极距式电容传感器当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。0csssc变面积式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。变面积式电容传感器的特性电容量为：cAbxc当动板沿x方向移动时，引起覆盖面积的变化，电容量也产生变化。圆柱体线位移型传感器，输出电容量为：2ln/xcDd变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。平板型结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响；而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，最为常用。电容量为：c22Arc覆盖面积：2222rrA变介电常数式因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数第二节转换电路•绝大多数均可用一个纯电容来表示。•在低频时或高温高湿环境下，电容阻抗较大，L和r可忽略。•在高频下电容阻抗变小，L和r不可忽略。一、电容式传感器的等效电路运算放大器电路u0，能克服变极距型电容传感器的非线性。SuCu,SCuCCuCj/1Cj/1u0xxx0得代入将当A为理想放大器时：第三节主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度1.变极距型（倒数关系）00SC当和则0000CC1.灵敏度随而变,不是常数,即电容量和极距成非线性关系；2.减小,灵敏度增加。极距过小容易导致电容器击穿。一般取25m~1mm之内。3.该类型电容式传感器存在着原理非线性，通常规定在极小的间隙变化范围内工作。4.实际应用中常采用差动式，以提高传感器的灵敏度。02gCSkAbxc2.变面积型（线性关系）22Arc22gCrk常数由线位移变化导致电容变化：常数bxCkg由角位移变化导致电容变化：变面积式电容传感器的输出特性是线性的。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、特点（与电阻、电感式相比）优点：1.温度稳定性好，2.结构简单，适应性强，3.动态响应好，4.可以实现非接触测量，并且具有平均效应，5.高灵敏度和分辨率。缺点：1.输出阻抗高，负载能力差，几何尺寸不宜做大，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，因此输出阻抗高，尤其当使用音频电源时，可达106~108，因而负载能力差，且易受外界干扰产生不稳定现象、采用高频供电，可降低输出阻抗，但高频放大、传输远比低频复杂。2.寄生电容影响大由于自身电容比较小，而电缆电容（1~2m导线可达800pF)、线路的杂散电容以及传感器的内极板与周围导体构成的电容等影响很大。不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。三、设计要点1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。2.消除和减小边缘效应边缘效应：使灵敏度降低而且产生非线性。a：适当减小极间距，使极径与间距比很大，但易产生击穿并有可能限制测量范围。b：可采用电极做得极薄使与极间距相比很小的办法来减小边缘电场的影响。c：在结构上增设等位环来消除边缘效应。3.消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器的电容相并联，不仅影响灵敏度，还要影响精度（它的变化为虚假信号）。第四节电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。•电容式加速度传感器质量块由弹簧支撑，在壳加速度作用下，质量块在两固定电极间振动，从而改变电容C1、C2值。加速度传感器在汽车中的应用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汽车气囊的保护作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。电容式键盘•常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构复杂。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器的应用：在物位测量控制中的使用演示电容式传声器湿敏电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型指纹识别•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。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。小结•电容式传感器的工作原理•会计算变极距式、变面积式传感器的电容变化量以及它们的静态灵敏度。•变面积型平板线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求其电容变化量？休息一下