電容式傳感器及應(yīng)用-電容式傳感器的工作原理及其結(jié)構(gòu)形式（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)3.1電容式傳感器的工作原理及其結(jié)構(gòu)形式任務(wù)3.2電容式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路項(xiàng)目3電容式傳感器及應(yīng)用3.1電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，將被測(cè)物理量（如尺寸、壓力）等轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。被測(cè)物理量電容敏感元件C轉(zhuǎn)換電路U,I輸出顯示電容器在收音機(jī)中的應(yīng)用并聯(lián)在收音機(jī)LC諧振電路的電感兩端的電容量越大，所接收到的電臺(tái)的頻率就越低。電容器在收音機(jī)中，用于改變諧振頻率，從而調(diào)整所要接收的電臺(tái)。電容式指紋識(shí)別傳感器指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器。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)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面。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)別傳感器右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖優(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。電容屏和電阻屏的簡(jiǎn)單比較電阻屏電容屏制造原理兩層互相絕緣的膜，一層有電阻，一層是純導(dǎo)體，按壓使兩層膜接觸。通過改變電阻值來定位。在觸摸屏四邊均鍍上狹長(zhǎng)的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。在觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)，手指與導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。觸摸靈敏度需要施加壓力?？梢杂檬种福◣鲜痔祝?、指甲、觸筆等進(jìn)行操作，靈敏度相對(duì)差一些。生命物體接觸，非生命物體、指甲、手套無效。靈敏度比較好。缺點(diǎn)電阻式的觸摸屏由于需要一定的壓力，時(shí)間長(zhǎng)了容易造成表面材料的磨損，影響產(chǎn)品的正常使用壽命。不穩(wěn)定。耦合電容的方式直接受溫度、濕度、手指濕潤(rùn)程度等影響，帶來了不穩(wěn)定的結(jié)果。電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、工作可靠。（2）能在惡劣的環(huán)境條件下工作。（3）易于獲得被測(cè)量與電容量變化的線性關(guān)系。（4）所需的激勵(lì)源功率小，本身發(fā)熱問題可不予考慮。電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為A—兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d—兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε—兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr—兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù),ε0=8.85

10-12(F/m)電容器的邊緣效應(yīng)理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只有中間區(qū)域是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害，這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在基板面積較小時(shí)，將引起測(cè)量誤差。電容式傳感器平行板電容器的電容為：上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？A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（d）的變間隙式傳感器改變極板遮蓋面積（A）的變面積式傳感器改變介質(zhì)介電常數(shù)（ε）的變介電常數(shù)式傳感器電容式傳感器變間隙式電容傳感器當(dāng)傳感器的ε和A為常數(shù),初始極距為d時(shí),可知其初始電容量C0為若電容器極板間距離由初始值d縮小Δd,電容量增大ΔC,則有

變間隙式電容傳感器(1)變間隙式電容傳感器

由式（1）可知,ΔC與Δd不是線性關(guān)系。但當(dāng)△d＜＜d時(shí)，可以認(rèn)為ΔC與Δd是線性的,有ΔC/C0=△d/d。所以變極距型電容式感器一般用來測(cè)量微小變化的量。傳感器靈敏度：(2)變間隙式電容傳感器的特性曲線a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板3－彈性膜片變間隙式電容傳感器另外,由式（2）可以看出,在d較小時(shí),對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC,增大C0/d的倍數(shù),從而使傳感器靈敏度提高。但d過小,容易引起電容器擊穿或短路。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)。為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)式電容傳感器特性曲線1-上面的電容特性2-下面的電容特性3-差動(dòng)特性線性好，靈敏度高變面積式電容式傳感器改變極板間覆蓋面積(A)的電容式傳感器常用的有角位移型和線位移型兩種。下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，因而導(dǎo)致電容量變化。+++變面積式電容式傳感器（角位移）變面積式電容式傳感器（線位移）線位移型電容式傳感器分：平面線位移型和圓柱線位移型兩種。變面積式電容式傳感器（線位移）對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度h變化時(shí)，電容量也隨之變化。其電容為：圓柱線位移型電容式傳感器公式推導(dǎo)由高斯定理可知，兩導(dǎo)體間的電場(chǎng)強(qiáng)度E為λ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電荷絕對(duì)值；r≤l≤R；

E的方向垂直于軸平面沿輻射方向。兩柱形導(dǎo)體間的電位差為由電容定義得圓柱形電容器的電容為在圓柱形電容器每個(gè)極板上的總電荷變面積式電容式傳感器對(duì)于電容間覆蓋面積由A變?yōu)锳′時(shí)，則電容變化量為：

由上式可見，電容的變化量與面積的變化量成線性關(guān)系。變面積式電容傳感器簡(jiǎn)析圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。平板形變面積式電容傳感器的容量變化設(shè)兩極板原來的遮蓋長(zhǎng)度為a0，極板寬度為b，極距固定為d0，當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)物體向左移動(dòng)x后，兩極板的遮蓋面積A將減小，電容也隨之減小，電容Cx為式中C0—初始電容值在變面積電容傳感器中，電容Cx與直線位移x成正比。圓柱形變面積式電容傳感器外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)內(nèi)圓筒的外半徑、外圓筒的內(nèi)半徑分別為R和r，兩者原來的遮蓋長(zhǎng)度為h0，電容量與位移成正比。Cx半圓形變面積式電容傳感器1-動(dòng)極板2-定極板極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。保持極距d0不變C角位移A半圓形變面積式電容傳感器

變面積式電容傳感器的特性總結(jié)變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。1-實(shí)際特性

2-理論特性變介電常數(shù)式電容傳感器因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示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