电容式传感器

第五章电容式传感器学习要求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：电容式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。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。电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。｜5．１工作原理、结构及特性由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数（）、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离δ有关：若被测量的变化使式中δ、Ａ、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，1210854.81mFrACr00r再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。5.1.1变极距型电容传感器图5－１为这种传感器的原理图。当传感器的和Ａ为常数，初始极距为，可知其初始电容量为当动极端板因被测量变化而向上移动使减小Δ时，电容量增大ΔＣ则有r00C000ACr00)/1(1000000CACCr图5－１0定极板动极板可见，传感器输出特性Ｃ＝f(δ)是非线性的，电容相对变化量为如果满足条件＜＜１，可按级数展开成略去高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度Ｓ分别为100)1(CC)/(0)()(1020000CC00CC20000ACCSr如果考虑式中的线性项及二次项，则其相对非线性误差为%100)/(%100/)/(0020fe)1(000CC由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距的平方成反比，故可用减少的办法来提高灵敏度。/0可见，的减小会导致非线性误差增大；过小还可能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。差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为；两组电容一增一减。由同样的分析方法得电容总得相对变化量为02021＝＝＋＝，－＝0201略去高次项，可得近似得线性关系相对非线性误差为上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏度提高一倍，且误差大大减小。40200021012CCCCC020CCfe%100/%100/2/220030fe5.1.2变面积型电容传感器原理结构如图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度方向平移时，则电容为0ll00000bllCCCr式中为初始电容。电容得相对变化量为输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大得直线位移和角位移。它的灵敏度为00000/blCr00llCC变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。000bLCSr022000arRCCrBCACrRlraCCrBCAC000ABC5.1.3变介质型电容传感器这种电容传感器有较多的结构型式，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物质的湿度。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电云量C为两个电容和的并联结果。式中、为极板长度和宽度02r1C2ClllbCCCrr210000210l0b0l2r01rl为第二种电介质进人极间的长度。若电介质1为空气()，当=0时传感器的初始电容；当介质2进入极间后引起电容的相对变化为可见,电容的变化与电介质2的移动量成线型关系。上述原理可用于非导电流散材物料的物位测量。如图所示，将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。可测出的电容量即反映灌装高度L。11r00000/blCrllCCCCCr000012llll5.2应用中存在的问题及其改进措施5.2.1等效电路上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。•图中C为传感器电容，为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗;为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感pRsR克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容变化，从而引起传感器有效灵敏度的变化在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。LCCCe215.2.2边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算函数的数值查阅相关传感器手册hfrrrCr116ln20hf边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。5.2.3静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。查阅相关手册得到各种电容传感器静电引力的计算公式。5.2.4寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。1驱动电缆法它实际上是一种等电位屏蔽法。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双屏蔽电缆，并接人增益为1的驱动放大器，(接线如图示)。这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；内、外层屏蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输人阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输人的相移为零。2整体屏蔽法以差动电容传感器，配用电桥测量电路为例，U为电源电压，K为不平衡电桥的指示放大器。所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。本例中接地点选在两平衡电阻、桥臂中间，与整体屏蔽共地。这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容同测量放大器的输入阻抗相并联，从而可将归算到放大器的输入电容中xC2XC3R4R1C3C4C1C1C由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，的并联也是不希望的，但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容及是并在桥臂及上，这影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。3采用组合式与集成技术一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。·1C3C4C3R4R5．2．5温度影响环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：1温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。现以变极距型为例，设定极板厚度为，绝缘件厚度，动极板至绝缘底部的壳体长为，各零件材料的线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0变化Δt后,极间隙将由δ0=a0-b0-g0变为δt由此一起的温度误差为0a0g0b由此可见，消除温度误差的条件为：或者满足条件2温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数温度系数可达0．07％/℃；若环境温度变化±50℃，则将带来7％的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。tagabaatagabaaegbagbattt000000000000gbaagabaa0000agabaaaagaab5.3测量电路电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后,必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。本节简要讨论电容式传感器常用的几种测量电路。5.3.1变压器电桥如图所示，C1、C2：为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为对变极距型代入上式得可见,对变极距型的变压器电桥负载阻抗极大时,其输出特性呈线性212102CCCCUU002001/;/ACAC002UU5.3.2双T二极管交流电桥如图所示：S是高频电源，提供幅值为Ei的对称方波(正弦波也适用)；D1、D2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。当传感器没有位移输入时,C1=C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。当C1或C2变化时，RL上产生的平均电流将不再为零,因而有信号输出.其输出电压的平均值为