第5章电容式传感器资料

第5章电容式传感器5.1工作原理5.2测量电路5.3典型应用本章知识要点1.平板电容、圆筒电容的电容量表示。2.各种电容传感器的工作原理。3.变极距式传感器的灵敏度及非线性误差分析。4.电容式传感器的测量电路。实例：指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器•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。电容式传感器概述2、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。3、缺点：电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。4、应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数。1、变换原理：将被测量的变化转化为电容量变化。5.1电容式传感器的工作原理和结构式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。变极距型变面积型变介电常数型dAε如图所示，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为：dAdACr0平板形电容器圆柱形电容器圆柱形电容器的两极板由圆柱形导体A和同轴的圆柱壳导体B组成。当lRB−RA时，电容器的电容为：筒状电容结构形式如图所示，给出了一些常见电容式传感器的原理结构形式。其中图(a)、(b)为变极距型；图(c)、(d)、(e)和(f)为变面积型；图(g)和(h)为变介电常数型。图(a)、(b)、(c)、(e)和(f)是线位移传感器；图(d)是角位移传感器；图(b)和(f)是差动式电容传感器。x5.1.1变面积型电容式传感器dbxaCr)(0改变两极板覆盖面积，从而改变电容量axCC0动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时ΔC与Δx呈线性关系平板状电容线位移变面积型dabCr00bxadxARrxlx（a）平板状（b）筒状02()2(1)1lnlnlxlxlCCxlRRrr0CxCl筒状电容ΔC与Δx呈线性关系角位移变面积传感器角位移θ引起覆盖面积改变，从而改变电容量。当θ=0时0000dACr式中：εr——介质相对介电常数；d0——两极板间距离；A0——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时000001CCdACrΔC与角位移θ呈线性关系0CC角位移变面积型5.1.2变介质型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容与液位的关系为：hdDCln)(21电容增量与液位h呈线性关系。02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容000100dbLCr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电容变化量与移动量L呈线性关系。变介质型电容传感器主要可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。5.1.3变极距型电容传感器000dACrr000001ddCddACCCrd0－ΔdC+ΔC变极距型电容式传感器初始电容1、工作原理图5-3电容量与极板间距离的关系2dd2000000111ddddCddCCCCΔd/d01时000ddCCCC与Δd近似呈线性关系d0小则灵敏度高00ddCC00001ddCCkddCCd0过小，电容器容易被击穿。采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。00000ggggCCACddCC相当于两个电容器串联•云母片的介电常数很高，极板间距可大大减小。极板间距一般在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。00000ggggCCACddCC当|Δd/d0|1时，按级数展开30200001ddddddddCC00011ddddCCnnxxxx)1(1122、变极距式电容传感器的非线性分析00011ddCCC当|Δd/d0|1时略去高次项如果考虑到二次项，则0001ddddCC相对非线性误差δ%100%100|/|)/(0020dddddd表明：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。00ddCC002001/11/11ddCCddCC提高灵敏度,减小非线性误差差动式结构d在Δd/d01时,按级数展开3020002302000111ddddddCCddddddCC－则503000212ddddddCCCC40200012ddddddCC略去高次项，则：002ddCC考虑线性项和三次项,则相对非线性误差δ%100%100|/|2|)/(|220030dddddd近似的线性关系•灵敏度得到一倍的改善•线性度得到改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd5.2.1调频电路LCf21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。加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。5.2电容式传感器的测量电路因此，振荡器固有频率f0LCCCf)(210210振荡回路固有电容引线分布电容传感器电容5.2.2变压器式交流电桥U2U2UC1C2oU＋－＋－＋－2221122120UZZZZUZZUZU221210UCCCCU若采用变极距式电容传感器ddACddAC21,20UddU输出电压与位移呈线性关系。5.2.3运算放大器式电路ixoUCCU对于平板电容，Cx=εA/d，得dACUUio传感器电容虚地点输出电压Uo与极板间距离d成线性关系cbiICjU1cxcbIIcxxoICjU15.3.4二极管双T形交流电桥高频电源差动电容R1=R2=R二极管双T形交流电桥双T电桥电路C1=C2，R1=R2=R，则正、负半周对称00U0U正半周：C1充电，C2放电负半周：C2充电，C1放电传感器没有输入时，00U如果C1C2正半周：C1充电电量增多，C2放电情况不变。输出正电压情况不变。负半周：C2充电情况不变，C1放电电流增大。输出负电压变小。传感器有输入时如果C1＜C200U正半周：C1充电电量不变，C2放电情况增加。输出正电压情况变大。负半周：C2充电电量增加，C1放电电流不变。输出负电压情况不变。电路的优点：简单，不须附加相敏检波电路。电源为正半周VD1短路VD2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR±供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:ITitTitTRRRRUCCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRRRCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成故在负载RL上产生的电压为URRRRIIRRRRRRUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为ITRRRRUCCLLE11125.3.5脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路图比较器差动电容当差动电容相等时，电压平均值为零。当差动电容相等时，电压平均值为零。当差动电容不相等时，平均电压值不为零。当差动电容不相等时，uAB电压经低通滤波器滤波后，Uo输出21211212111TTTTUTTTUTUUUUBAo式中：U1——触发器输出高电平；T1、T2——C1、C2充电至Ur时所需时间。121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222变间隙型差动电容传感器：变面积型差动电容传感器：11212UddddUodddddd0201dUddUo10SUSSUo15.3典型应用5.3.1电容式压力传感器差动式电容压力传感器结构图外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器原理：膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。5.3.2电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图621C1C25d1d2431—固定电极；2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体原理：当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向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C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点：频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。5.3.3差动式电容测厚传感器电容测厚传感器可以用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。差动式电容测厚仪系统组成框图被测带材21CCCx如果带材只是上下波动，电容不变；如果带材的厚度变化使电容变化，电桥将该信号变化输出为电压，经放大、整流，送出处理显示。轧辊电容器极板被测带材2C1C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。汽车气囊对驾驶员的保护作用利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置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