第4章电容式传感器(吴建平)课件

1、概概 述述 应用实例（应用实例（电容测深度、角度电容测深度、角度）概概 述述电容式接近开关电容式接近开关电容式压力电容式压力变送器变送器电容式差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器硅微压力硅微压力电容式传感器电容式传感器概概 述述电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用测量管道液位高度测量管道液位高度电容式指纹传感器电容式指纹传感器4.1 4.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。0rssC 0r改变式中改变式中S S 极板极板面积，面积，称称变面积型变面积型电容传感器电容传感器

2、极板极板距离，距离，称称变极距型变极距型电容传感器电容传感器 介电常数，介电常数，称称变介质型变介质型电容传感器电容传感器 真空介电常数真空介电常数 相对介电常数相对介电常数 空气介质空气介质电容传感器工作原理可以用平板电容说明：电容传感器工作原理可以用平板电容说明：01r4.1 4.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变极距型电容传感器变极距型电容传感器变面积型变面积型电容电容传感器传感器变介质型变介质型电容电容传感器传感器当分母当分母 1 0t 0电路接通电路接通, C, C1 1充电至充电至U UC1C1= E = E ； t = tt = t1 1 U UE E负半周负

3、半周, D, D1 1截止，截止，D D2 2导通导通 C C2 2充电至充电至U UC2 C2 =-E,=-E,同时同时C C1 1通过通过R RL L放电；放电； 负载上电流负载上电流 ：I IL L= I= I1 1（放）（放）+ I+ I2 2（电源）（电源） t = tt = t2 2 ，U UE E正半周正半周, D, D1 1导通导通, D, D2 2截止截止 C C1 1充电充电, C, C2 2放电放电; ;负载上电流负载上电流 ： I IL L = I = I1 1（电源）（电源）+I+I2 2（放）（放） C C1 1 = C = C2 2时时 I IL L = I =

4、IL L一个周期内平均值一个周期内平均值12()0RLEUMU f cc双双T型电路型电路动画动画4.3 4.3 测量电路测量电路 4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 电路原理图电路原理图电路组成：电路组成： A A1 1、A A2 2比较器；比较器；FFFF双稳态触发器；双稳态触发器；V VD1D1、V VD2D2与电阻组成与电阻组成充放电回路；充放电回路；U Uf f参考直流电压参考直流电压; ; 双稳态作输出双稳态作输出; ;电容电容C Cx1x1、C Cx2x2为传感器差动电容。为传感器差动电容。电路分析：电路分析： 设接通电源时设接通电源时A A高、高、B B低，低，R R1 1

5、对对C Cx1x1充电，充电，C C点上升到点上升到U Uf f，4.3 4.3 测量电路测量电路 4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 波形图波形图 12120121212ABfffTTT TUUUUUUT TT TT T4.3 4.3 测量电路测量电路 4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 12012fCCUUCC12012FSSUUSS12012FUU12120121212ABfffTTT TUUUUUUT TT TT T4.3 4.3 测量电路测量电路 5.5.运算放大器式电路运算放大器式电路 设设K 为理想运放，为理想运放，a a为虚地；设开环放大器输入阻抗很高为虚地；设开环放大

6、器输入阻抗很高 I Ii i = 0 = 0 C Cx x 传感器电容，传感器电容，C C0 0 固定电容，固定电容，0 xsC00iIUjc0 xxIUjc输入输入输出输出000iCUUs 0 xII 00ixCUUC 对于单极板平板电容器传感器，对于单极板平板电容器传感器，输出电压输出电压U U0 0与机械位移与机械位移成线性关系成线性关系 解决了单电容的非线性关系问题。解决了单电容的非线性关系问题。 k 4.3 4.3 测量电路测量电路 6 6调频电路调频电路 谐振曲线谐振曲线 调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信

7、号使电容发生变化时，振荡器的振部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。荡频率发生变化。12fLC 由于系统是非线性的，必须加入由于系统是非线性的，必须加入鉴频器鉴频器将频率变化转化将频率变化转化换为电压的变化。换为电压的变化。4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电容式压力传感器电容式压力传感器 结构：结构：金属弹性膜片金属弹性膜片动片；两个玻璃球面上镀有动片；两个玻璃球面上镀有金属金属定片；膜片左右两侧充满硅油。定片；膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压工作过程：当两室分别承受低压P PL L和高压和高压P PH H时，

8、硅油时，硅油能将压差传递到测量膜片能将压差传递到测量膜片HLPPP 当当P PH H=P=PL L时，时，膜片处于中间位置，膜片处于中间位置，C C1 1=C=C2 2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变： P PH H P PL L时，膜片时，膜片P PL L向弯曲，向弯曲，C C1 1CC2 2， P PH H P CC2 2； 前极电路将这种电容变化通过电路转换，前极电路将这种电容变化通过电路转换， 变为电压或电流的变化变为电压或电流的变化 电容传感器电容传感器 盒膜片结构盒膜片结构4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电

9、容式压力传感器电容式压力传感器 工业生产流程自动控制中膜片式压力计是工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种：常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： 计示压力计（表压），计示压力计（表压），以以大气大气为基准为基准，测测管道、箱内、罐中压力；管道、箱内、罐中压力； 绝对压力计绝对压力计，以绝对以绝对真空真空为基准测量蒸发为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力；罐、反应罐中的压力； 压差计，压差计，测两个压力的差值。测两个压力的差值。传感器传感器基准基准接大气接大气低压低压阀阀高压高压阀阀选通选通阀阀管管道道传感器传感器接真空接真空低压低压阀阀高压高压阀阀管道管道反应罐

10、反应罐4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2.2.电容板材在线测厚仪电容板材在线测厚仪 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电容带材是电容的动极板，总电容 C C1 1+C+C2 2 作为桥臂。作为桥臂。 带材只是上下波动时带材只是上下波动时 Cx = CCx = C1 1+C+C2 2总的电容量不变；总的电容量不变； 带材的厚度变化使电容带材的厚度变化使电容 Cx Cx 变化。变化。 采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路 输出与带材

11、厚度关系为：输出与带材厚度关系为：000SCUUhs 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 3.3.电容传感器测位移电容传感器测位移 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 4.4.电容传声器原理电容传声器原理 PC PC机上的麦克风是一个电容传声器、主要由振动膜片、刚机上的麦克风是一个电容传声器、主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力，性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，

12、极板上的电荷随之变化，从电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声电转换。压输出，从而完成了声电转换。 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 4.4.电容传声器原理电容传声器原理 计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和电容传声器相同，它采用一种电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜聚四氟乙烯材料作为振动膜片片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷，。这种材料经

13、特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩, ,然后用反馈力与它然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中

14、不可缺少的关键元件。Y YZ ZX X在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。制信号。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感

15、器力平衡式加速度传感器 力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器结构结构 M惯性元件、惯性元件、C1、C2位移传位移传感器、磁力矩器、电容动片固感器、磁力矩器、电容动片固定在质量块上。定在质量块上。0XxFFRUIRRRma22/xad x dtxxFmaFI力矩器的反馈力力矩器的反馈力惯性力惯性力-力矩器的机电偶合系数力矩器的机电偶合系数工作原理：工作原理：壳体加速度壳体加速度当当F F （反馈力）（反馈力）= F= Fx x（惯性力）时（惯性力）时 位移位移 y = 0y = 0。4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器

16、 2012200( )2sSS 惯性系统是典型的二阶机械系统，固有频率惯性系统是典型的二阶机械系统，固有频率 和阻尼比和阻尼比 决定于惯性元件的阻尼系数决定于惯性元件的阻尼系数 b b 和弹性系数和弹性系数 c c，惯性元件的，惯性元件的传递函数为：传递函数为： 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 6.6.智能型电容传感器智能型电容传感器 硅电容式集成传感器大体硅电容式集成传感器大体由由压力敏感电容器压力敏感电容器、转换电转换电路路和和辅助电路辅助电路三部分组成，三部分组成，其中压力敏感的电容器是核其中压力敏感的电容器是核心部件，压力敏感的电容器心部件，压力敏感的电容

17、器所传感的电容量信号经转换所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出调理电路处理后输出 4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 6.6.智能型电容传感器智能型电容传感器 硅微型电容传感器结构硅微型电容传感器结构 硅压力电容传感器的敏感元件是硅压力电容传感器的敏感元件是电容压敏元件，核心部分是敏感电电容压敏元件，核心部分是敏感电容器。容器。 其结构是在玻璃基底上镀一层金其结构是在玻璃基底上镀一层金属铝（属铝（ALAL）膜做电容器的一个极板，）膜做电容器的一个极板，在硅（在硅（SiSi）片上是电容器的另一个）片上是电容器的另一个

18、极板，极板，硅膜硅膜厚几十微米。厚几十微米。 电容器电容量由两个电容极板面电容器电容量由两个电容极板面积和间距决定，极板间介质为空气，积和间距决定，极板间介质为空气，当硅膜片受力变形时电容的变化量当硅膜片受力变形时电容的变化量C C与压力差与压力差P P大小有关。大小有关。 硅电容式集成传感器结构硅电容式集成传感器结构4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 6.6.智能型电容传感器智能型电容传感器 实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，分别为分别为

19、受力电容受力电容、参考电容参考电容，参考电容不受外力，参考电容不受外力作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变化。化。 压差与变形量呈线性关系。压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵扩散硅电容器的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的敏度是结构型电容传感器灵敏度的1010倍倍。 从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一采用集成工艺制作，电容尺寸很

20、小，可与信号处理电路集成在一起。起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。压信号，再由调理电路处理后输出。4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 7.7.新型电容式指纹传感器新型电容式指纹传感器 光学取像是使用光学取像是使用CCDCCD器件器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好，来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好，器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。 晶体指纹传感器分为晶体指纹传感器分为电容式电容式和和压感式压感式，用它获取

21、的图像质量比较好，用它获取的图像质量比较好，可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。晶体晶体传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。 FPS110 电容式指纹传感器和采集的指纹图象 由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段，由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段，将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。 指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法；另指纹图象的获取有两类方法，

22、一是使用墨水和纸的传统方法；另一种方法是利用设备取像（又分为一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像光学设备取像、晶体传感器取像晶体传感器取像和和超声波取像超声波取像。4.4 4.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 7.7.新型电容式指纹传感器新型电容式指纹传感器 电容式指纹传感器是由著名的电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室贝尔实验室联合联合IntelIntel等公司投资几十等公司投资几十亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上占主要份额。占主要份额。 例如例如FPS110 FPS110 电容

23、式指纹传感器表面电容式指纹传感器表面集合了集合了300300300300个电容器个电容器，其外，其外面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷（远）相对于另一极之间的距离。通过读取（远）相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值充放电之后的电容差值来获来获取指纹图像。取指纹图像。 传感器的生产采用标准传感器的生产采用标准CMOSCMOS工艺，尺寸工艺，尺寸大小为大小为151515m

24、m15mm2 2，分辨率为，分辨率为500DPI500DPI（一（一英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。 FPS110 FPS110 提供提供8 8位微处理器相连的接口，位微处理器相连的接口，内置有内置有8 8位高速位高速A/DA/D转换器，可直接输出转换器，可直接输出8 8位灰度图像。芯片功耗小于位灰度图像。芯片功耗小于200mW200mW，价格，价格在在600600元（人民币）下。元（人民币）下。FPS110功能结构框图功能结构框图 压力传感器/变送器 压力芯体、压力敏感元件压力芯体、压力敏感元件 1 1、表贴封装（测试气压）、表贴封装（测试气压） 2

25、2、双列直插式封装（测试气压）、双列直插式封装（测试气压） 3 3、TO-8TO-8封装（测试气压）封装（测试气压） 4 4、不锈钢封装（测试液压和气压）、不锈钢封装（测试液压和气压） 主要应用场合：主要应用场合： 航天航空军工场合，例如：风洞压力测航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、试、涡轮机、 叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试低温压力测试本章要点1. 1. 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？2. 2. 说明变介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和说明变介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和 测量方法。测量方法。3. 3. 差动式电容传感器测厚系统的工作原理。差动式电容传感器测厚系统的工作原理。4. 4. 硅电容式集成传感器结构特征与工作原理。硅电容式集成传感器结构特征与工作原理。5. 5. 何谓何谓“驱动电缆技术驱动电缆技术”？采用的目的是什么？采用的目的是什么？6. 6. 差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什 么特点？么特点？ 7. 7. 电容板材在线测厚系统中，如何通过检测电