第5章电容式传感器

1、第5章 电容式传感器 5.1 工作原理工作原理5.2 测量电路测量电路5.3 典型应用典型应用 本章知识要点本章知识要点1.平板电容、圆筒电容的电容量平板电容、圆筒电容的电容量表示表示。2.各种电容传感器的各种电容传感器的工作原理工作原理。3.变极距式传感器的变极距式传感器的灵敏度灵敏度及及非线性误差分析非线性误差分析。4.电容式传感器的电容式传感器的测量电路测量电路。实例：指纹识别传感器图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器 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。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

2、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。 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。电容式传感器概述电容式传感器概述2 2、优点：、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。应性强、抗过载能力大及价格低廉。3 3、缺点：、缺点：电容式传感器的电容式传感器的泄漏电阻泄漏电阻和非线性等缺点也和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。给它的应用带来一

3、定的局限。4 4、应用：、应用：测量压力、力、测量压力、力、位移位移、振动、液位等参数。、振动、液位等参数。1 1、变换原理、变换原理：将被测量的变化转化为将被测量的变化转化为电容量电容量变化。变化。5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构式中式中: 电容极板间介质的电容极板间介质的介电常数介电常数，=0r，其中，其中0为真为真空介电常数，空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数； A 两平行板所覆盖的两平行板所覆盖的面积面积； d 两平行板之间的两平行板之间的距离距离。 变极距型变极距型变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型dA 如图所示，由

4、绝缘介质分开的两个平行金属板组成的如图所示，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器平板电容器, , 如果不考虑边缘效应如果不考虑边缘效应, , 其电容量为：其电容量为：dAdACr0平板形电容器平板形电容器圆柱形电容器圆柱形电容器 圆柱形电容器的两极板由圆柱形导体A和同轴的圆柱壳导体B组成。当 l RB RA 时，电容器的电容为：筒状电容筒状电容 结构形式 如图所示，给出了一些如图所示，给出了一些常见电容式传感器的原理常见电容式传感器的原理结构形式。其中图结构形式。其中图(a)(a)、(b)(b)为变极距型；图为变极距型；图(c)(c)、(d)(d)、(e)(e)和和(f)(f)为变面

5、积型；图为变面积型；图(g)(g)和和(h)(h)为变介电常数型。为变介电常数型。图图(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)、(e)(e)和和(f)(f)是线位移传感器；图是线位移传感器；图(d)(d)是角位移传感器；图是角位移传感器；图(b)(b)和和(f)(f)是差动式电容传感器。是差动式电容传感器。 x5.1.1 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 dbxaCr)(0改变两极板覆盖改变两极板覆盖面积，从而改变面积，从而改变电容量电容量axCC0动极板相对于定极板沿长度方向平移动极板相对于定极板沿长度方向平移x时时C与与x呈线性呈线性关系关系平板状电容平板状电容线位移变面积型dab

6、Cr0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr0CxCl筒状电容筒状电容C与与x呈线性呈线性关系关系角位移变面积传感器角位移变面积传感器角位移角位移引起覆引起覆盖面积改变，从盖面积改变，从而改变电容量。而改变电容量。当当=0时时0000dACr式中：式中： r介质相对介电常数；介质相对介电常数； d0两极板间距离；两极板间距离； A0两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。 当当0时时000001CCdACrC与角位移与角位移呈线性关系呈线性关系0CC 角位移变面积型5.1.2 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(

7、2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容 电容与液位的关系为： hdDCln)(21电容增量与电容增量与液位液位h呈线性呈线性关系关系 。02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容 000100dbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000) 1(LLCCCCCr电容变化量与电容变化量与移动量移动量L呈线呈线性关系性关系 。 变介质型电容传感器主要可以用来测量变介质型电容传感器主要可以用来测量纸张、绝缘薄纸张、绝缘薄膜膜等的厚度，等的厚度， 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非非导电固体介

8、质的湿度导电固体介质的湿度。5.1.3 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 000dACrr000001ddCddACCCrd0 d C+C变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 初始电容 1、工作原理、工作原理图图5-3 电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系 2dd2000000111ddddCddCCCCd/d01时000ddCCCC与与d近似近似呈线性关系呈线性关系d0小小 则则 灵灵敏度高敏度高00ddCC00001ddCCkddCCd0过小，电容器容易被击穿。过小，电容器容易被击穿。采用高介电常采用高介电常数的材料（云数的材料（云母、母、 塑料膜塑料膜等）等）式中：式

9、中：g 云母的相对介电常数，云母的相对介电常数，g=7； 0 空气的介电常数，空气的介电常数，0=1； d0 空气隙厚度；空气隙厚度； dg 云母片的厚度。云母片的厚度。 00000ggggC CACddCC 相当于两相当于两个电容器个电容器串联串联 云母片的介电常数很高，极板间距可大大减小。极板云母片的介电常数很高，极板间距可大大减小。极板间距一般在间距一般在25200um范围内，而最大位移应小于间范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。移测量。 00000ggggC CACddCC 当当|d/d0|1时，

10、按级数展开时，按级数展开 30200001ddddddddCC00011ddddCCnnxxxx) 1 (1122、变极距式电容传感器的非线性分析、变极距式电容传感器的非线性分析00011ddCCC当当|d/d0|1时略去高次项时略去高次项如果考虑到二次项二次项， 则 0001ddddCC相对非线性误差相对非线性误差%100%100|/|)/(0020dddddd表明：表明：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。 00ddCC002001/11/11ddCCddCC提高灵敏度提高灵敏度,减减小非线性误差小非线性误差差动式结构差动式结构d在在d/d0C2 正半周：

11、正半周：C1充电电充电电量增多量增多 ，C2放电情况放电情况不变。输出正电压情况不变。输出正电压情况不变。不变。 负半周：负半周：C2充电情充电情况不变，况不变，C1放电电流放电电流增大增大 。输出负电压变。输出负电压变小。小。传感器有输入时传感器有输入时 如果如果C1 C200U 正半周：正半周：C1充电电充电电量不变量不变 ，C2放电情况放电情况增加。输出正电压情况增加。输出正电压情况变大。变大。 负半周：负半周：C2充电电充电电量增加，量增加，C1放电电流放电电流不变。输出负电压情况不变。输出负电压情况不变。不变。电路的优点：简单，不须附加相敏检波电路。电路的优点：简单，不须附加相敏检波

12、电路。电源为正半周VD1短路VD2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成 故在负载RL上产生的电压为 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()

13、()同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 ITRRRRU CCLLE1112 5.3.5 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路图脉冲宽度调制电路图 比较器比较器差动差动电容电容当差动电容相等时，当差动电容相等时，电压平均值为零。电压平均值为零。当差动当差动电容相电容相等时，等时，电压平电压平均值为均值为零。零。当差动当差动电容不电容不相等时，相等时，平均电平均电压值不压值不为零。为零。 当差动电容不相等时，当差动电容不相等时，uAB电压经低通滤波器滤波后，电压经低通滤波器滤波后， Uo输出输出 21211212111TTTTUTTTUTUUUUBAo式中：式中： U1 触

14、发器输出高电平；触发器输出高电平； T1、T2 C1、C2充电至充电至Ur时所需时间。时所需时间。 121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222变间隙型差动电容传感器：变间隙型差动电容传感器：11212UddddUodddddd0201dUddUo10SUSSUo15.3 典型应用典型应用 5.3.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 差动式电容压力传感器结构图差动式电容压力传感器结构图 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器原理：膜片原理：膜片为动电极，为动电极，两两个在凹形个在凹形玻璃上的金玻璃上的金属镀层为固属镀层为固定电极，构定电极，构成差动电容成差

15、动电容器。器。5.3.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 差动式电容加速度传感器结构图差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体 原理：原理：当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速直线加速运动时运动时， 质量块在惯性空间中相对静止相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移位移。 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主要特点：频率响应快和量程范围大， 大多采用空气或其它

16、气体作阻尼物质。 5.3.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器可以用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化，将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来，用交流电桥将电容的变化测出来， 经过经过放大即可由电表指放大即可由电表指示测量结果。示测量结果。 差动式电容测厚仪系统组成框图差动式电容测

17、厚仪系统组成框图 被测带材被测带材21CCCx如果带材只是上下波动，如果带材只是上下波动，电容不变；如果带材的电容不变；如果带材的厚度变化使电容变化，厚度变化使电容变化，电桥将该信号变化输出电桥将该信号变化输出为电压，经放大、整流，为电压，经放大、整流，送出处理显示。送出处理显示。 加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，撞

18、，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气统使气囊迅速充气 。 汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置湿敏电容湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两度增