哈工大唐文彦版传感器课件-第04章 电容式传感器.ppt

,第一节,第二节,第三节,第四节,电容传感器测量电路,电容传感器分类,电容传感器原理,电容传感器应用,学习要求,感性认识,第四章 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ibm thinkpadt42/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。,4.1 电容传感器原理,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,4.1 电容传感器原理,平行板电容器的电容为：,(4-1),上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,4.2 电容传感器分类,根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种： 改变极板间距离()的极距型传感器 改变极板遮盖面积（ a ）的面积型传感器 改变电介质介电常数（0）的介质型传感器,4.2 电容传感器分类,电容传感器分类结构图如下,4.2.1 极距式电容传感器,极距式电容传感器,当传感器的r和a为常数,初始极距为0时,由式(4-1)可知其初始电容量c0为,(4-2),+ + +,4.2.1 极距式电容传感器,若电容器极板间距离由初始值0缩小, 电容量增大c, 则有,(4-3),4.2.1 极距式电容传感器,由式（4-3）可知, 传感器的输出特性c = f ()不是线性关系,而是双曲线关系 此时c1与近似呈线性关系, 所以变极距型电容式感器只有在 / 0很小时, 才有近似的线性输出,4.2.1 极距式电容传感器,另外, 由式（4 - 3）可以看出, 在0较小时, 对于同样的变化所引起的c可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。 但0过小,容易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,4.2.1 极距式电容传感器,此时电容c变为:,(4-4),4.2.1 极距式电容传感器,式中: g云母的相对介电常数,g= 7 0空气的介电常数, 0= 1 d0空气隙厚度 dg云母片的厚度,4.2.1 极距式电容传感器,云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000kv/mm, 而空气的仅为3kv/mm。因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。 同时, 式（4-4）中的(dg/0g)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。,4.2.1 极距式电容传感器,一般变极板间距离电容式传感器 起始电容在 20100pf之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广,4.2.2 变面积型电容式传感器,改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。,4.2.2 变面积型电容式传感器,4.2.2 变面积型电容式传感器,当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为 s=ar2/2，电容量为 ： 其灵敏度为：,（4-5）,（4-6）,4.2.2 变面积型电容式传感器,线位移型电容式传感器 平面线位移型和圆柱线位移型两种。,4.2.2 变面积型电容式传感器,对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化 电容量为：c =(0bx)/ 其灵敏度为 ：,（4-7）,4.2.2 变面积型电容式传感器,对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化 其电容为：,（4-8）,4.2.2 变面积型电容式传感器,式中 x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度； r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径 其灵敏度为：,（4-9）,4.2.3 变介电常数型电容传感器,变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示,4.2.3 变介电常数型电容传感器,这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c) 还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,4.2.3 变介电常数型电容传感器,若忽略边缘效应，图a 、图b 、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为 ：,图a中：,图b中：,图c中：,（4-10）,（4-11）,（4-12）,4.2.3 变介电常数型电容传感器,式中 、h 、0两固定极板间的距离、极间高度及间隙中电介质的介电常数 x、hx 、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数 l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值） r1、r2内、外极筒的工作半径,4.3 电容式传感器的常用测量电路,用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:,运算放大器测量电路 双t电桥电路,此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等,调频电路 脉冲调制电路,等效电路,4.3.1 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。,4.3.1 调频测量电路,虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来 调频测量电路原理框图如图所示：,4.3.1 调频测量电路,图中调频振荡器的振荡频率为：,（4-13）,4.3.1 调频测量电路,式中: l振荡回路的电感; c振荡回路的总电容, c=c1+c2+c0c 其中: c1为振荡回路固有电容 c2为传感器引线分布电容 c0c为传感器的电容,4.3.1 调频测量电路,当被测信号为0时,c=0, 则c =c1+c2+c0 , 所以振荡器有一个固有频率f0:,（4-14）,4.3.1 调频测量电路,当被测信号不为 0 时,c0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为,（4-15）,4.3.1 调频测量电路,调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01m级位移变化量 频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控,4.3.2 运算放大器式测量电路,运算放大器的放大倍数k非常大, 而且输入阻抗zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。,4.3.2 运算放大器式测量电路,由运算放大器工作原理可得 式中：cx为电容式传感器的电容 是输出信号电压 是交流电源电压,（4-16）,4.3.2 运算放大器式测量电路,如果传感器是一只平板电容,则cx=a/d , 代入上式, 有,（4-17）,式中“-”号表示输出电压u0 的相位与电源电压反相,4.3.2 运算放大器式测量电路,此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题 但要求zi及a足够大。为保证仪器精度, 还要求电源电压的幅值和固定电容c值稳定,4.3.3 双t电桥电路,这种测量电路如图所示，图中: c1、c2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容 rl为负载电阻 v1、v2为理想二极管 r1、r2为固定电阻,4.3.3 双t电桥电路,二极管双t型交流电桥电路原理图,4.3.3 双t电桥电路,电路的工作原理如下： 当e为正半周时,二极管vd1导通、vd2截止, 于是电容c1充电; 在随后负半周出现时, 电容c1上的电荷通过电阻r1 ,负载电阻rl放电, 流过rl的电流为i1 在负半周内, vd2导通、vd1截止,则电容c2充电;在随后出现正半周时, c2通过电阻r2 ,负载电阻rl放电, 流过rl的电流为i2 根据上面所给的条件, 则电流i1=i2 ,且方向相反, 在一个周期内流过rl的平均电流为零,4.3.3 双t电桥电路,若传感器输入不为 0, 则c1 c2, 那么i1i2, 此时rl上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为,（4-18）,式中f为电源频率,4.3.3 双t电桥电路,当rl已知,式中r（r+2rl）/（r+rl）2rl = m（常数）,则: uo=ei fm(c1-c2),（4-19）,从式（4-19）可知, 输出电压uo不仅与电源电压的幅值和频率有关, 而且与t型网络中的电容c1和c2的差值有关,4.3.3 双t电桥电路,当电源电压确定后, 输出电压uo是电容c1和c2的函数。该电路输出电压较高, 当电源频率为 1.3mhz, 电源电压ei= 46 v 时, 电容从-7+7pf变化, 可以在 1m负载上得到-5+5 v的直流输出电压。 电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。,4.3.3 双t电桥电路,当ui幅值较高, 使二极管vd1、vd2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容c1、c2无关, 而仅与r1、r2及rl有关, 其值为1100k。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1k的负载电阻上升时间为 20 s左右, 故可用来测量高速的机械运动。 ,4.4 电容传感器应用,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。 变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m 、分辨率可达0.001m。 变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01较大的位移，0.001m 。,4.4 电容传感器应用,一、电容式压力传感器 二、电容式加速度传感器 三、差动式电容测厚传感器 四、电容式料位传感器 五、湿度测量 六、电容式键盘 七、电容传声器, 一、 电容式压力传感器 图 4 - 14 所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 ,4.4 电容传感器应用,二、电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上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是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。,三、 差动式电容测厚传感器 图示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。 将被测电容c1、c2作为各变换振荡器的回路电容, 振荡器的其它参数为固定值, 等效电路如图 4 - 16（b）所示, 图中c0为耦合和寄生电容, 振荡频率f为,式中: r极板间介质的相对介电常数; a极板面积; dx极板间距离; cx待测电容器的电容量。 所以,设两传感器极板间距离固定为d0, 若在同一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2, 则被测金属板材厚度= d0-(dx1+ dx2) 。 由此可见, 振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量, 然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差, 即可获得板材厚度。 ,四、 电容式料位传感器 图 4 - 17 是电容式料位传感器结构示意图。 测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。,当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响, 传感器的电容量将发生变化, 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关, 且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。 传感器的静电电容可由下式表示:,式中: k比例常数; s被测物料的相对介电常数; 0空气的相对介电常数; ,d储罐的内径; d测定电极的直径; h被测物料的高度。 假定罐内没有物料时的传感器静电电容为c0, 放入物料后传感器静电电容为c1, 则两者电容差为 c = c1 - c0 （4 - 47） 由式（4 - 46）可见, 两种介质常数差别越大, 极径d与d相差愈小, 传感器灵敏度就愈高。 ,五、湿度