第04章 電容傳感器ppt課件

1、第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)電容傳感器測(cè)量電路電容傳感器分類電容傳感器原理電容傳感器應(yīng)用學(xué)習(xí)要求感性認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)要求1.1.掌握電容式傳感器工作原理掌握電容式傳感器工作原理 2.2.掌握電容式傳感器的分類、掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點(diǎn)及它們各自的特點(diǎn)3.3.了解電容式傳感器的測(cè)量電了解電容式傳感器的測(cè)量電路路指紋識(shí)別傳感器圖為IBM ThinkpadT42/T43 的指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器n指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。n下圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器n指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬導(dǎo)體的

2、陣列，其外面是一層絕緣的表面電容式指紋識(shí)別傳感器n當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊近的和溝遠(yuǎn)的與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。電容式指紋識(shí)別傳感器它的優(yōu)點(diǎn)： 體積小成本低成像精度高耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。4.1 電容傳感器原理n電容式傳感器是將被測(cè)量如尺寸、壓力等的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。n實(shí)際上,它本身或和被測(cè)物就是一個(gè)可變電容器 4.1 電容傳感器原理平行板電容器的電容為： Ac (4-1)上式中，哪幾個(gè)參量是上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？類型的

3、電容傳感器？4.2 電容傳感器分類 根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：改變極板間距離()的極距型傳感器改變極板遮蓋面積（ A ）的面積型傳感器改變電介質(zhì)介電常數(shù)0的介質(zhì)型傳感器4.2 電容傳感器分類電容式傳感器極距型面積型介質(zhì)型電容傳感器分類結(jié)構(gòu)圖如下4.2.1 極距式電容傳感器極距式電容傳感器當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù),初始極距為0時(shí),由式(4-1)可知其初始電容量C0為000Acr(4-2)+4.2.1 極距式電容傳感器若電容器極板間距離由初始值0縮小, 電容量增大C, 則有 00000011)(cACCCr(4-3)4.2.1 極距式電容傳感器 由式4-3可知, 傳感器的輸出特

4、性C = f ()不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系 此時(shí)C1與近似呈線性關(guān)系, 所以變極距型電容式感器只有在 / 0很小時(shí), 才有近似的線性輸出4.2.1 極距式電容傳感器l另外, 由式4 - 3可以看出, 在0較小時(shí), 對(duì)于同樣的變化所引起的C可以增大, 從而使傳感器靈敏度提高。l但0過小, 容易引起電容器擊穿或短路。l為此, 極板間可采用高介電常數(shù)的材料云母、塑料膜等作介質(zhì)4.2.1 極距式電容傳感器u此時(shí)電容C變?yōu)?000ggAC(4-4)4.2.1 極距式電容傳感器式中: g云母的相對(duì)介電常數(shù),g= 7 0空氣的介電常數(shù), 0= 1 d0空氣隙厚度 dg云母片的厚度4.2.1 極距式電容傳

5、感器云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍, 其擊穿電壓不小于1000kV/mm, 而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片, 極板間起始距離可大大減小。同時(shí), 式4-4中的(dg/0g)項(xiàng)是恒定值, 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。4.2.1 極距式電容傳感器一般變極板間距離電容式傳感器起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣4.2.2 變面積型電容式傳感器改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移型和線位移型兩種。圖為典型的角位移型電容式傳感器當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，

6、因而導(dǎo)致電容量變化。4.2.2 變面積型電容式傳感器+4.2.2 變面積型電容式傳感器n當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為a、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為 s=ar2/2，電容量為 ：n其靈敏度為：220arcr常數(shù)220rdadCd（4-5）（4-6）4.2.2 變面積型電容式傳感器n線位移型電容式傳感器n平面線位移型和圓柱線位移型兩種。4.2.2 變面積型電容式傳感器n對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動(dòng)板沿箭頭x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化n電容量為：C =(0bx)/ n其靈敏度為 ：常數(shù)bdxdCd0（4-7）4.2.2 變面積型電容式傳感器n對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器，

7、當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量也隨之變化n其電容為：)/ln(212rrxC（4-8）4.2.2 變面積型電容式傳感器式中 x外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)度； r1、r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒或內(nèi)圓柱外半徑，即它們的工作半徑其靈敏度為：常數(shù))/ln(2120rrdxdCd（4-9）4.2.3 變介電常數(shù)型電容傳感器n變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示4.2.3 變介電常數(shù)型電容傳感器n這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)n還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等。4.2.3 變介電常數(shù)型電容傳感器n若忽略邊緣效應(yīng)，圖

8、a 、圖b 、圖c所示傳感器的電容量與被測(cè)量的關(guān)系為 ：/ )(0 xxlbC00/)(/ )(xxxxalbbaC)/ln(2)/ln(212)0120rrhrrhCx圖a中：圖b中：圖c中：（4-10）（4-11）（4-12）4.2.3 變介電常數(shù)型電容傳感器式中、h 、0兩固定極板間的距離、極間高度及間隙中電介質(zhì)的介電常數(shù)x、hx 、被測(cè)物的厚度、被測(cè)液面高度和它的介電常數(shù)l、b、ax固定極板長(zhǎng)、寬及被測(cè)物進(jìn)入兩極板中的長(zhǎng)度被測(cè)值）r1、r2內(nèi)、外極筒的工作半徑4.3 電容式傳感器的常用測(cè)量電路用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多,常見的電路有:運(yùn)算放大器測(cè)量電路雙T電橋電路此外電容式傳感器的

9、測(cè)量電路還有普通交流電橋電路變壓器電橋電路和緊耦合電感臂電橋電路等調(diào)頻電路脈沖調(diào)制電路4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí), 振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。高頻、低頻激勵(lì)電壓作用下電容傳感器的等效電路4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路n雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量, 用以判斷被測(cè)非電量的大小, 但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的, 不易校正n因此加入鑒頻器, 將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化, 經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來n調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖所示：4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：21)(21LCf（4-13）4.

10、3.1 調(diào)頻測(cè)量電路式中: L振蕩回路的電感; C振蕩回路的總電容, C=C1+C2+C0C 其中: C1為振蕩回路固有電容 C2為傳感器引線分布電容 C0C為傳感器的電容 4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路當(dāng) 被 測(cè) 信 號(hào) 為 0 時(shí) , C = 0 , 則 C =C1+C2+C0 , 所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0:210210)(21LCCCf（4-14）4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為 0 時(shí),C0, 振蕩器頻率有相應(yīng)變化, 此時(shí)頻率為ffLccccf021021)(21（4-15）4.3.1 調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度, 可以測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量頻率輸出易于用

11、數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊, 抗干擾能力強(qiáng), 可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控4.3.2 運(yùn)算放大器式測(cè)量電路運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大, 而且輸入阻抗Zi很高。運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。4.3.2 運(yùn)算放大器式測(cè)量電路由運(yùn)算放大器工作原理可得式中： Cx為電容式傳感器 是輸出信號(hào)電壓 是虛地點(diǎn) 是交流電源電壓 iU0UixUCCU0（4-16）4.3.2 運(yùn)算放大器式測(cè)量電路如果傳感器是一只平板電容,則Cx=A/d , 代入上式, 有dAcUUi0（4-17）式中“-”號(hào)表示輸出電壓U0 的相位與電源電壓反相4.3.2 運(yùn)算放大器式測(cè)量電路此式說明運(yùn)算放

12、大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題但要求Zi及K足夠大。為保證儀器精度, 還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定 4.3.3 雙T電橋電路這種測(cè)量電路如圖所示，圖中:C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容，對(duì)于單電容工作的情況時(shí)，可以使其中一個(gè)為固定電容，另一個(gè)為傳感器電容RL為負(fù)載電阻V1、V2為理想二極管R1、R2為固定電阻4.3.3 雙T電橋電路 二極管雙T型交流電橋電路原理圖4.3.3 雙T電橋電路電路的工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí),二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止, 于是電容C1充電; 在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí), 電容C1上的電荷通

13、過電阻R1 ,負(fù)載電阻RL放電, 流過RL的電流為I1 在負(fù)半周內(nèi), VD2導(dǎo)通、VD1截止,則電容C2充電;在隨后出現(xiàn)正半周時(shí), C2通過電阻R2 ,負(fù)載電阻RL放電, 流過RL的電流為I2 根據(jù)上面所給的條件, 則電流I1=I2 ,且方向相反, 在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零4.3.3 雙T電橋電路v若傳感器輸入不為 0, 則C1 C2, 那么I1I2, 此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出, 其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為TRIULL10dttItIT)()(201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL（4-18）式中f為電源頻率4.3.3 雙T電橋電路v當(dāng)RL已知,式中RR+2RL

14、）/（R+RL2RL = M常數(shù)）,那么: v Uo=Ei fM(C1-C2) （4-19）從式4-19可知, 輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān), 而且與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)4.3.3 雙T電橋電路v當(dāng)電源電壓確定后, 輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高, 當(dāng)電源頻率為 1.3MHz, 電源電壓Ei= 46 V 時(shí), 電容從-7+7pF變化, 可以在 1M負(fù)載上得到-5+5 V的直流輸出電壓。v電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān), 故輸入電源要求穩(wěn)定。4.3.3 雙T電橋電路v當(dāng)Ui幅值較高, 使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí), 測(cè)量的非線性誤

15、差很小。v電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān), 而僅與R1、R2及RL有關(guān), 其值為1100k。 輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為 20 s左右, 故可用來測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 4.3.4 脈沖調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示 圖中：C1、C2為差動(dòng)式電容傳感器 電阻R1=R2 A1、A2為比較器4.3.4 脈沖調(diào)制電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖 4.3.4 脈沖調(diào)制電路當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài),Q=1, =0,A點(diǎn)高電位通過R1對(duì)C1充電,時(shí)間常數(shù)為1 = R1 C1,直至F點(diǎn)電位高于參比電位Ur,比較器A1輸出正跳變信號(hào)Q4.3.4 脈沖調(diào)制電路與此同時(shí),因

16、= 0,電容器C2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號(hào)激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn), 使Q = 0, = 1,于是A點(diǎn)為低電位, C1通過VD1迅速放電, 而B點(diǎn)高電位通過R2對(duì)C2充電, 時(shí)間常數(shù)為2=R2C2 , 直至G點(diǎn)電位高于參比電位Ur QQ4.3.4 脈沖調(diào)制電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形 4.3.4 脈沖調(diào)制電路比較器A2輸出正跳變信號(hào),使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn),重復(fù)前述過程。電路各點(diǎn)波形如圖所示當(dāng)差動(dòng)電容器的C1=C2時(shí),其平均電壓值為零當(dāng)差動(dòng)電容C1 C2, 且C1 C2時(shí), 則1 = R1 C12 = R2 C2 由于充放電時(shí)間常數(shù)變化, 使電路中各點(diǎn)電壓波形產(chǎn)生相應(yīng)改變。 4

17、.3.4 脈沖調(diào)制電路如波形圖b所示：此時(shí)uA、uB脈沖寬度不再相等, 一個(gè)周期T1+T2時(shí)間內(nèi)其平均電壓值不為零此uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后, 可獲得輸出21211)(TTTTUuuuBAAB(4-20）4.3.4 脈沖調(diào)制電路式中: U1觸發(fā)器輸出高電平 T1、T2C1、C2充放電至Ur所需時(shí)間由電路知識(shí)可知:21211111)(lnTTTTUCRTrUUUCRT22222ln（4-21）（4-22）4.3.4 脈沖調(diào)制電路將T1、T2代入式4-21）, 得 把平行板電容的公式代入式4-23）, 在變極板距離的情況下可得12121UCCCCuAB（4-23）12112UdddduAB（4

18、-24）式中：d1、d2分別為C1、C2極板間距離 4.3.4 脈沖調(diào)制電路當(dāng)差動(dòng)電容C1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0時(shí), uAB = 0; 若C1 C2, 設(shè)C1 C2, 即d1 =d0 d , d2 = d0+d, 那么同樣, 在變面積電容傳感器中, 則有1UdduAB1UAAuAB（4-25）（4-26）4.3.4 脈沖調(diào)制電路由此可見, 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動(dòng)式電容傳感器, 并具有線性特性, 且轉(zhuǎn)換效率高, 經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出, 且調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。4.4 電容傳感器應(yīng)用電容式傳感器可用來測(cè)量直線位移、角位移、

19、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.01m至數(shù)百微米、精度可達(dá)0.01m 、分辨率可達(dá)0.001m。變面積型的能測(cè)量量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于0.5%、分辨率為0.01較大的位移，0.001m 。4.4 電容傳感器應(yīng)用電容式角度和角位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為 0.1至幾十度，分辨率約0.1，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級(jí)，廣泛用于精密測(cè)角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測(cè)振幅傳感器可測(cè)峰值為050m、頻率為102kHz，靈敏度高于0.01m ，非線性誤差小于0.05m。 下文介紹幾種常用電容式傳感器之應(yīng)用。4.

20、4 電容傳感器應(yīng)用一、電容式壓力傳感器二、電容式加速度傳感器三、差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器四、電容式料位傳感器五、濕度測(cè)量六、電容式鍵盤七、電容傳聲器 一、 電容式壓力傳感器 圖 4 - 14 所示為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中所示為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí), 形成的兩個(gè)電容器的電容量, 一個(gè)增大, 一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 4.4 電容傳感器應(yīng)用 二、電容式加速度傳感器 圖示為差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。 它有兩個(gè)固定極板與殼體絕緣）, 中間有一用

21、彈簧片支撐的質(zhì)量塊, 此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動(dòng)極板與殼體電連接）。 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí), 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止, 而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化, 一個(gè)增加, 一個(gè)減小, 從而使C1、 C2產(chǎn)生大小相等, 符號(hào)相反的增量, 此增量正比于被測(cè)加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大, 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 三、 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 圖示為頻率型差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器系統(tǒng)組成框圖。 將被測(cè)電容C1、C2作為各變換振蕩器的回路電容, 振蕩器的其

22、它參數(shù)為固定值, 等效電路如圖 4 - 16b所示, 圖中C0為耦合和寄生電容, 振蕩頻率f為210)(21CCLfxxrxdAC6 . 3式中: r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù); A極板面積; dx極板間距離; Cx待測(cè)電容器的電容量。所以210221214146 . 3fLcLfAdrx210221224146 . 3fLcLfAdrx 設(shè)兩傳感器極板間距離固定為d0, 若在同一時(shí)間分別測(cè)得上、下極板與金屬板材上、下表面距離為dx1、dx2, 則被測(cè)金屬板材厚度= d0-(dx1+ dx2) 。 由此可見, 振蕩頻率包含了電容傳感器的間距dx的信息。各頻率值通過取樣計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字量, 然后由微

23、機(jī)進(jìn)行處理以消除非線性頻率變換產(chǎn)生的誤差, 即可獲得板材厚度。 四、 電容式料位傳感器 圖 4 - 17 是電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 測(cè)定電極安裝在罐的頂部,這樣在罐壁和測(cè)定電極之間就形成了一個(gè)電容器。 當(dāng)罐內(nèi)放入被測(cè)物料時(shí), 由于被測(cè)物料介電常數(shù)的影響, 傳感器的電容量將發(fā)生變化, 電容量變化的大小與被測(cè)物料在罐內(nèi)高度有關(guān), 且成比例變化。檢測(cè)出這種電容量的變化就可測(cè)定物料在罐內(nèi)的高度。 傳感器的靜電電容可由下式表示:dDhkcsln)(0式中: k比例常數(shù); s被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù); 0空氣的相對(duì)介電常數(shù); D儲(chǔ)罐的內(nèi)徑; d測(cè)定電極的直徑; h被測(cè)物料的高度。 假定罐內(nèi)沒有物料時(shí)的傳感器靜電電容為C0, 放入物料后傳感器靜電電容為C1, 則兩者電容差為C = C1 - C0 （4 - 47） 由式4 - 46可見, 兩種介質(zhì)常數(shù)差別越大, 極徑D與d相差愈小, 傳感器靈敏度就愈高。 電容式位移傳感器測(cè)量原理圖 交流電源 1:1放大器 測(cè)量電極 屏蔽電極 電容層析成像系統(tǒng)的組成 五