第4章电容式传感器

1、传感器原理及应用,第4章电容式传感器,主要内容：4.1电容传感器工作原理和类型4.2电容传感器输出特性4.3电容传感器测量电路4.4电容式传感器的应用举例,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,概述,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。目前电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。,应用实例（电容测深度、角度）,电容式传感器的特点是：电容器容量小(几十几百微法)，输出阻抗高;极板静电引力小,工作所需作用力很小；可动质量小,固有频率高,动态响应特性好；功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。,概述,传感器

2、原理及应用,第4章电容式传感器,电容式接近开关,电容式压力变送器,电容式差压传感器,各种电容式传感器,硅微压力电容式传感器,概述,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,电容式传感器典型应用,测量管道液位高度,电容式指纹传感器,第4章电容式传感器,4.1电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。,改变式中S极板面积，称变面积型电容传感器极板距离，称变极距型电容传感器介电常数，称变介质型电容传感器真空介电常数相对介电常数空气介质,电容传感器工作原理可以用平板电容说明：,4.1电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,变极距型电容

3、传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,变面积型电容传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,变介质型电容传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,当分母1时，用泰勒级数展开,初始电容C0，极距减小时，电容量相对变化C,4.2电容传感器输出特性1.变极距型（）,忽略高次项，电容相对变化量与传感器灵敏度为,第4章电容式传感器,4.2电容传感器输出特性,传感器原理及应用,变极距型电容传感器灵敏度为要提高传感器灵敏度k0应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；非线性误差随相对的位移的增加而增加,为保证线性度应限制相对位移；起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；为

4、提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,讨论：,4.2电容传感器输出特性,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,差动结构的电容特征方程式为：,差动结构的平板电容:设C1增加，C2减小，且C1=C2,电容的总的变化量,4.2电容传感器输出特性,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,电容相对变化量,忽略高次项，电容相对变化量为,传感器（差动式）灵敏度,相对非线性误差为,差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；非线性误差减小（多乘因子）。,结论：,4.2电容传感器输出特性2.变面积型（S）,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,平板电容：当动极板移动X后，两极板间电容量为,初始电容,电容的相对

5、变化量,平板变面积型电容传感器灵敏度,变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；输出特性为线性关系；适合大位移测量。,结论：,第4章电容式传感器,4.2电容传感器输出特性3.变介电常数式（）,传感器原理及应用,变介电常数式电容传感器与传感器结构有关，分几种情况：测介质厚度(介质材料，纸张、薄膜厚度）_图a测位移（介质）_图b测介电常数（材料、液位)_图c测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d,第4章电容式传感器,4.2电容传感器输出特性,传感器原理及应用,测介质及厚度改变介质（），可作为介电常数的测试仪器。介电常数保持不变（介质不变），S和一定，改变介质厚度d，可作为测厚仪器；,测介质位移，介质的

6、厚度和材料不变，电容与介质的位置有关,a、b分别为平板电容的边长,电容与介质参数之间关系为,4.2电容传感器输出特性,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,测液位,C0为传感器静电容，中心检测电极为电容器的一个电极极板，外侧是电容器的另一个极板（或容器罐的外壳为电容的另一个电极）。通常根据液体容器的形状计算。,4.3测量电路1.电容传感器的等效电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,电容传感器的等效电路包括:传感器电容C0；传输线的电感L0、电阻R（小）;极板等效漏电阻Rg；A、B两端分布电容Cp，常常Cp比C0还大。低频时Xc大，L、R可忽略；高频时Xc小，L、R不可忽略，工作频率10M

7、Hz以上要考虑电缆电感L的影响，这时相当有一LC串联电路，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小,系统无法工作。,4.3测量电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,解决的方法:屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输；驱动电缆技术，连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。,驱动电缆技术是一种等电位屏蔽方法。这一方法可在10m距离不影响传感器性能，

8、保证电容1pF时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。,电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统如图所示，电容传感器两个桥臂为差动形式,代入：,4.3测量电路,2.电桥电路,交流电桥的输出电压为：,第4章电容式传感器,4.3测量电路2.电桥电路,传感器原理及应用,将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系,极板在中间位置时动片上移时两电容分别变化为,4.3测量电路2.电桥电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,交流电桥的多种形式,第4章电容式传感器,4.3测

9、量电路3.二极管双T型电路,传感器原理及应用,UE高频对称方波电源，D1、D2二极管，特性相同；C1、C2传感器差动电容；R1、R2为固定电阻，RL负载。一个周期内RL上的平值电压为,一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压UE幅值、频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比。,第4章电容式传感器,4.3测量电路3.二极管双T型电路,传感器原理及应用,工作原理分析t0电路接通,C1充电至UC1=E；t=t1UE负半周,D1截止，D2导通C2充电至UC2=-E,同时C1通过RL放电；负载上电流：IL=I1（放）+I2（电源）t=t2，UE正半周,D1导通,D2截止C1充电,C2放电;负载上

10、电流：IL=I1（电源）+I2（放）C1=C2时IL=IL一个周期内平均值,双T型电路动画,4.3测量电路4差动脉冲调宽电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,电路原理图,电路组成：A1、A2比较器；FF双稳态触发器；VD1、VD2与电阻组成充放电回路；Uf参考直流电压;双稳态作输出;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。,电路分析：设接通电源时A高、B低，R1对Cx1充电，C点上升到Uf，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低、B高，使D1导通Cx1放电；同时B点经Cx2充电使A2翻转。,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,4.3测量电路4差动脉冲调宽电路,波形图,C1=C2，UC、U

11、D放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1C2，输出平均电压U00，若C1C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差：,低通输出,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,4.3测量电路4差动脉冲调宽电路,T=RC若R1=R2输出电压与两个传感器电容的差值成正比,变面积型，输出与两电容的面积差值成正比,变极距型，输出与两电容的极距差值成正比,输出电压与两个充放电回路时间常数的差成正比,4.3测量电路5.运算放大器式电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,设K为理想运放，a为虚地；设开环放大器输入阻抗很高Ii=0C

12、x传感器电容，C0固定电容，,输入,输出,对于单极板平板电容器传感器，输出电压U0与机械位移成线性关系解决了单电容的非线性关系问题。,4.3测量电路6调频电路,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,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。,由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。,第4章电容式传感器,4.4电容式传感器的应用举例1.电容式压力传感器,传感器原理及应用,结构：金属弹性膜片动片；两个玻璃球面上镀有金属定片；膜片左右两侧充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压PL和高压PH时，硅油能

13、将压差传递到测量膜片,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：PHPL时，膜片PL向弯曲，C1C2；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,电容传感器盒膜片结构,4.4电容式传感器的应用举例1.电容式压力传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,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：计示压力计（表压），以大气为基准，测管道、箱内、罐中压力；绝对压力计，以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力；压差计，测两个压力的差值。,4.4电容式传感器的应用举例2.电容板材在线测厚仪,传感器原理及应用,第4章

14、电容式传感器,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C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。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厚度关系为：,4.4电容式传感器的应用举例3.电容传感器测位移,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,4.4电容式传感器的应用举例4.电容传声器原理,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,PC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，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

15、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压输出，从而完成了声电转换。,4.4电容式传感器的应用举例4.电容传声器原理,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,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，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经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。,4.4电容式传感器的应用举例5.力平衡式加速度传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、

16、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。,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。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电容式传感器的应用举例5.力平衡式加速度传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,力平衡式加速度传感器结构M惯性元件、C1、C2位移传感器、磁力矩器、电容动片固定在质量块上。,力矩器的反馈力,惯性力,-力矩器的机电偶合系数,工作原理：壳体加速度,当F（反馈力）=Fx

17、（惯性力）时位移y=0。,4.4电容式传感器的应用举例5.力平衡式加速度传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,惯性系统是典型的二阶机械系统，固有频率和阻尼比决定于惯性元件的阻尼系数b和弹性系数c，惯性元件的传递函数为：,4.4电容式传感器的应用举例6.智能型电容传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,兼容协议,硅电容式集成传感器大体由压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分组成，其中压力敏感的电容器是核心部件，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,4.4电容式传感器的应用举例6.智能型电容传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,

18、硅微型电容传感器结构硅压力电容传感器的敏感元件是电容压敏元件，核心部分是敏感电容器。其结构是在玻璃基底上镀一层金属铝（AL）膜做电容器的一个极板，在硅（Si）片上是电容器的另一个极板，硅膜厚几十微米。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，当硅膜片受力变形时电容的变化量C与压力差P大小有关。,硅电容式集成传感器结构,4.4电容式传感器的应用举例6.智能型电容传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,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，分别为受力电容、参考电容，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受力变形

19、时，电容两极间距的变化引起电容量变化。压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的10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信号，再由调理电路处理后输出。,4.4电容式传感器的应用举例7.新型电容式指纹传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像，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。晶体指纹传感器分为电容式和压感式，用它获取的图像质量比较好，可以采用自动获取控制技术

20、和软件调整的方法来改善图像质量。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。,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，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；另一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像、晶体传感器取像和超声波取像。,4.4电容式传感器的应用举例7.新型电容式指纹传感器,传感器原理及应用,第4章电容式传感器,电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel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占主要份额。例如FPS110电容式指纹传感器表面集合了300300个电容器，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。通过读取充放电之后的电容差值来获取指纹图像。,传感器的生产采用标准CMOS工艺，尺寸大小为1515mm2，分辨率为500DPI（一英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。FPS110提供8位微处理器相连的接口，内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8位灰度图像。芯片功耗小于200mW，价格在600元（人民币）下。,FPS