第3单元电容式传感器详解

3.1电容式传感器的工作原理类型及特点3.2电容式传感器的测量电路及应用习题第3单元电容式传感器请你思考试举例你身边的小距离非接触测量的电容式传感器。电容式传感器可否替代应变片式传感器，制成称重设备？考虑它的弹性元件应如何设计？电容测量时，引线与大地之间的杂散电容对被测电容影响较大，考虑四相检测电容转移式微电容测量线路可否克服上述问题。试采用MATLAB/Simulink建立电容传感器的仿真模型，可调用现有的转换电桥模块Convertingbridge和整流模块Rectifier等，观察输入输出值和准确度。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。实例一：指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器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：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。实例二：电容层析成像系统各电极对间的电容值3.1电容式传感器的工作原理及类型Sc图4-1平板电容器Sεδ变极距型电容传感器00Src图示为一种常用的测量厚度结构。01011201()111xcccS变面积型电容式传感器转轴转角的测量变介质型电容式传感器下图是电容式液位计示意图。内圆管的外径为10mm，外圆管的内径为20mm，管的高度为h1＝3m,h0＝0.5m，被测介质为油，它的r＝2.3，电容器总电容量401pF，求液位。若容器的直径为3m，油的密度0.8t/m3，求容器内油的重量。3.2.1.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。3.2电容式传感器的测量电路01212012[()]fCCCL调频电路3.2.2运算放大器式电路011xxjCCUUUjCC图示为二极管双T型交流电桥电路原理图。e是高频电源,它提供幅值为Ui的对称方波,VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管,R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时,C1=C2。电路工作原理如下:3.3.3二极管双T型交流电桥3.2.4变压器电桥误差因素1：边缘效应边缘电场均匀电场3321图4-10带有等位环的平板电容传感器原理图误差因素2：寄生电容测量电路前置级内屏蔽层外屏蔽层传感器图4-12“驱动电缆”技术原理图1:1芯线3.2.5电容式传感器的应用变极距型适用于较小位移的测量，量程在0.01μm至数百微米、精度可达0.01μm、分辨力可达0.001μm。变面积型能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01μm。电容式角度和角位移传感器的动态范围为0.1″至几十度，分辨力约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为050μm、频率为102kHz，灵敏度高于0.01μm，非线性误差小于0.05μm。电容式位移传感器图4-27电容式位移传感器测量原理图交流电源1:1放大器测量电极屏蔽电极pdKICCCCI0CHLHLo（4～20）mA的直流输出信电容式压力传感器电容差压传感器电路图电容式加速度传感器电容差压传感器的主要性能指标为：量程：0-100～0-700mmH2O；0-500～0-3500mmH2O；0-3000～0-21000mmH2O；精度：±0.2%；测试温度：±40℃；最大压力：1.4×107Pa。人体接近式电容传感器电容式湿度传感器湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。HM1500湿度传感器当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。3.2.6其他应用1.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，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘工艺较机械结构复杂2.液位计3.料位计电容料位计电路图SitransLU超声波SitransLR4004线连续FMCW雷达SitransLC500电容习题画图并说明平板式电容传感器的工作原理。画出电容式传感器的完整的等效电路及在高、低频激励下的等效电路。分析电容传感器的误差因素，有哪些补偿方法？（边缘效应、寄生电容的消除）单组式边面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对覆盖部分的宽度为4mm，两极板间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若两极板相对移动2mm，求其电容变化量。画出电容式加速度传感器的结构示意图，并说明其工作原理。