電容式傳感器ppt課件

1、4.1 4.1 電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造4.2 4.2 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路4.3 4.3 電容式傳感器的丈量電路電容式傳感器的丈量電路4.4 4.4 電容式傳感器的運(yùn)用電容式傳感器的運(yùn)用 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是基于電容器的原理，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種傳感器。被丈量C UI運(yùn)用： 電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精細(xì)丈量，而且還逐漸地?cái)U(kuò)展到用于壓力、差壓、液位、物位或成份含量等方面的丈量。電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電

2、容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器各種電容式傳感器電容式傳感器典型運(yùn)用電容式傳感器典型運(yùn)用硅微電容式加速度傳感器硅微電容式加速度傳感器丈量管道液位高度丈量管道液位高度電容式鍵盤 常規(guī)的鍵盤有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。 電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是經(jīng)過按鍵改動(dòng)電極間的間隔產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)構(gòu)成震蕩脈沖允許經(jīng)過的條件。此種鍵盤即利用極距式電容傳感器以實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換電容式傳感器的典型運(yùn)用電容傳聲器 傳聲器Microphone俗稱話筒，是一種聲電換能器件，如今廣播文娛方面運(yùn)用的絕大多數(shù)是動(dòng)圈式和電容式。駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器電容式傳感器的典型運(yùn)用 電容傳聲器以振膜與后極板間

3、的電容量變化經(jīng)過前置放大器變換為輸出電壓。它能提供非常高的音響質(zhì)量，頻率呼應(yīng)寬而平坦，是高性能傳聲器。 指紋識(shí)別指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、本錢低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適宜在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中運(yùn)用。電容式傳感器的典型運(yùn)用IBM Thinkpad T42/T43 的指紋識(shí)別傳感器。 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外表，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谷遠(yuǎn)的與金屬導(dǎo)體之間的間隔不同而變化。電容式傳感器的運(yùn)用4.1 任

4、務(wù)原理和構(gòu)造 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 假設(shè)不思索邊緣效應(yīng), 其電容量為0rAACdd 00真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) A A極板相對(duì)覆蓋面積；極板相對(duì)覆蓋面積； d d極板間間隔；極板間間隔；rr相對(duì)介電常數(shù)；相對(duì)介電常數(shù)； 1、增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距，但易產(chǎn)生擊穿并限制丈量范圍 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以維護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)一直堅(jiān)持等電位，以保證中間任務(wù)區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而抑制邊緣效應(yīng)的影響。為減小

5、極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬資料，蒸涂一薄層金屬作為極板。帶有維護(hù)環(huán)的電容傳感器原理圖2、采用帶有維護(hù)環(huán)等位環(huán)的構(gòu)造變極距變極距( d )( d )型型變面積型變面積型( A )( A )型型變介電常數(shù)變介電常數(shù)()()型型 4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造 在實(shí)踐運(yùn)用中，通常堅(jiān)持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而只變其中一個(gè)參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，經(jīng)過丈量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出，此即電容式傳感器的原理。 根據(jù)這一性質(zhì)，電容式傳感器可以分為d,A,(r)變化C變化U(I)變化4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造一、變極距型電容傳感器000dACr當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù), 初始極距為d0時(shí),

6、 可知其初始電容量C0為假設(shè)電容器極板間間隔由初始值d0減少d, 電容量增大C, 那么有(4-1)000001ddCddACCCr圖4.1.1 電容量與極板間隔的關(guān)系CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d 由式(4-1)可知, 傳感器的輸出特性C=f(d)不是線性關(guān)系, 而是如圖 4.1.1 所示曲線關(guān)系。4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造2000100011ddddddddddCC由式(4-1)得，電容相對(duì)變化量為4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造0001ddCCdd可見電容的相對(duì)變化與輸入位移d之間的關(guān)系也是非線性的，當(dāng)4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造 此時(shí)近似呈線性關(guān)系, 所以變極距型電容式傳感器只需在d/d0很小時(shí)

7、, 才有近似的線性輸出。 靈敏度(單位位移引起的輸出電容相對(duì)變化量)：ddCCC0000dCdCS 思索二項(xiàng)式的相對(duì)非線性誤差：%100/%100/)/(0020dddddd4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造 由此可得： (1)要提高靈敏度，可用減少初始極距d0的方法。(4)在實(shí)踐運(yùn)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動(dòng)式電容構(gòu)造。(3)起始極距與靈敏度、非線性誤差相矛盾，適宜丈量小位移。(2)非線性隨著相對(duì)位移d的添加而添加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移。110ddACggg=7g=7云母的相對(duì)介電常數(shù)云母的相對(duì)介電常數(shù)1=11=1空氣的相對(duì)介電常數(shù)空氣的相對(duì)介電常數(shù) d1 d1空氣隙厚度空氣隙厚

8、度 dg dg云母片的厚度云母片的厚度d0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)的資料云母、塑料膜等作介質(zhì)(如圖 4.1.2所示), 此時(shí)電容C變?yōu)?.1 任務(wù)原理和構(gòu)造圖4.1.2 放置云母片的電容器當(dāng)d1減小了d時(shí)，電容將增大C，因此電容變?yōu)椋?0100/11)(/dddCdddACCCgggg1/1dddgg 3121102110/C/1dddddddddCddddddCCgggggggggg即：4.1 任務(wù)原理和構(gòu)造由于 ，可按泰勒級(jí)數(shù)展開10/CdddCgg%dddgg100110/CSddgg并可略去高次項(xiàng)得故靈敏度S可表示為其非線性誤差可表示為4.1 任

9、務(wù)原理和構(gòu)造 云母片的插入對(duì)非線性誤差的影響：設(shè)無云母片時(shí)極板間距為d0，其非線性誤差為d/d0；插入厚度為dg的云母片時(shí)，有d0=d1+dg。此時(shí)非線性誤差為d/(d1+dg/g)，由于g=71故(d1+dg/g)C2,即d1=d0-d,d2=d0+d, 那么1UdduAB4.3 電容式傳感器的丈量電路 由此可見, 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于變極板間隔以及變面積式差動(dòng)式電容傳感器, 并具有線性特性, 且轉(zhuǎn)換效率高, 經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出, 且調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。 同樣, 在變面積電容傳感器中, 那么有1UAAuAB4.3 電容式傳感器的丈量電路4.4 電容式傳感器的運(yùn)用一

10、、 電容式壓力傳感器 圖4.4.1 差動(dòng)式電容壓力傳感器構(gòu)造圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器4.4 電容式傳感器的運(yùn)用1. 圖4.4.1為差動(dòng)電容式壓力傳感器的構(gòu)造圖。 圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。 2. 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所構(gòu)成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。 該電容值的變化經(jīng)丈量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 二 電容式加速度傳感器 圖4.4.2 差動(dòng)式電容加速度傳感器構(gòu)造圖 4.4 電容式傳感器的運(yùn)用621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端

11、；6殼體 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)添加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度F=ma。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率呼應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 4.4 電容式傳感器的運(yùn)用加速度傳感器在汽車中的運(yùn)用 假人氣囊4.4 電容式傳感器的運(yùn)用三 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器電容測(cè)厚傳感器是用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè)。任務(wù)原理如下 在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶

12、材間隔相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線銜接起來成為一個(gè)極， 而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，假設(shè)帶材的厚度發(fā)生變化，將引起極板間距電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來，經(jīng)過放大即可由電表指示丈量結(jié)果。 4.4 電容式傳感器的運(yùn)用差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器的丈量原理框圖如圖4.4.34.4 電容式傳感器的運(yùn)用圖 4.4.3 差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖 4.4 電容式傳感器的運(yùn)用 音頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的音頻信號(hào)，接入變壓器T的原邊線圈，變壓器副邊的兩個(gè)線圈作為丈量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由規(guī)范電容C0和帶材與極板構(gòu)成的被測(cè)電容Cx(

13、Cx=C1+C2)組成。 電橋的輸出電壓經(jīng)放大器放大后整流為直流，再經(jīng)差動(dòng)放大，即可用指示電表指示出帶材厚度的變化。 電容式轉(zhuǎn)速計(jì)4.4 電容式傳感器的運(yùn)用圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成。電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速。電容式鍵盤 常規(guī)的鍵盤有機(jī)械式按鍵和電容式按鍵兩種。 電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是經(jīng)過按鍵改動(dòng)電極間的間隔產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)構(gòu)成震蕩脈沖允許經(jīng)過的條件。此種鍵盤即利用極距式電容傳感器以實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換4.4 電容式傳感器的運(yùn)用電容傳聲器 傳聲器Microphone俗稱話筒，是一種聲電換能器件，如今廣播文娛方面運(yùn)用的絕大多數(shù)是動(dòng)圈式和電容

14、式。駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器4.4 電容式傳感器的運(yùn)用 電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化經(jīng)過前置放大器變換為輸出電壓。它能提供非常高的音響質(zhì)量，頻率呼應(yīng)寬而平坦，是高性能傳聲器。 指紋識(shí)別指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、本錢低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適宜在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中運(yùn)用。4.4 電容式傳感器的運(yùn)用IBM Thinkpad T42/T43 的指紋識(shí)別傳感器。 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外表，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

15、列。它們的電容值隨著脊近的和谷遠(yuǎn)的與金屬導(dǎo)體之間的間隔不同而變化。4.4 電容式傳感器的運(yùn)用 以下圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器構(gòu)造及其接法表示圖。-+2動(dòng)極板+1定極板定極板差動(dòng)平板式電容傳感器構(gòu)造圖差動(dòng)式電容構(gòu)造 動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 那么002001/11/11ddCCddCC000001ddCddACCCr根據(jù)4-1差動(dòng)式電容構(gòu)造 動(dòng)極板位移之前，C1=C2=C0, d1=d2=d0有 在d/d01時(shí), 按級(jí)數(shù)展開得 3020002302000111ddddddCCddddddCC 動(dòng)極板位移后，兩個(gè)電容容量之差 300

16、0212ddddCCCC差動(dòng)式電容構(gòu)造 電容值相對(duì)變化量為.)()(1 2402000ddddddCC 假設(shè)只思索上式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 那么電容式傳感器的靈敏度和相對(duì)非線性誤差近似分別為002dCdCS%100)(%100)(2)(22003dddddd可見，電容傳感器做成差動(dòng)式之后, 靈敏度提高一倍, 而且非線性誤差大大降低了。差動(dòng)式電容構(gòu)造被丈量 d，S， C U(I,f)1掌握不同類型的電容傳感器構(gòu)成原理及其用途。 平行板電容器電容量： 柱式電容器電容量：dSdSCr0dDLCln2本章要點(diǎn)：空氣介質(zhì)的變間隙式電容傳感器： 靈敏度： 非線性誤差：線位移變面積式電容傳感器： 00ddC

17、C00CCKdd%100/%100/)/(0020ddddddLxdbCCC0 xdbxCKxdbnnCCCx02.電容傳感器輸出特性和丈量電路 3.電容式傳感器的運(yùn)用角位移變面積式電容傳感器： 變介電常數(shù)式電容傳感器： 0CCKdSC0r0CC1.試述電容式傳感器的任務(wù)原理與分類。每種類型各有什么特點(diǎn)？各適用于什么場(chǎng)所？ 2.如何改善單極式變極距型電容式傳感器的非線性？部分固體介質(zhì)的變極距式電容傳感器的設(shè)計(jì)目的？3.試計(jì)算圖中所示各電容式傳感元件的總電容。4.圖 (a)所示差動(dòng)式同心圓筒柱形電容傳感器，其可動(dòng)內(nèi)電極圓筒外經(jīng)d=9.8mm，固定電極外圓筒內(nèi)經(jīng)D=10mm，初始平衡時(shí)，上、下電容

18、器電極覆蓋長(zhǎng)度L1=L2=L0=2mm，電極間為空氣介質(zhì)。試求：1初始形狀時(shí)電容器C1、C2的值；2當(dāng)將其接入圖 (b)所示差動(dòng)變壓器電橋電路，供橋電壓E=10 V交流，假設(shè)傳感器任務(wù)時(shí)可動(dòng)電極筒向上挪動(dòng)x= 0.2mm，電橋輸出電壓的變化量為多少？5.如下圖正方形平板電容器,四個(gè)電容并聯(lián)，極板長(zhǎng)度a=4cm,極板間間隔=2mm.假設(shè)用此變面積型傳感器丈量位移x,試計(jì)算該傳感器的靈敏度。極板間介質(zhì)為空氣。6、有一電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=5mm，開場(chǎng)初始間隙=0.3mm，問1任務(wù)時(shí)，假設(shè)傳感器與工件的間隙減少1m，電容變化量是多少？2 假設(shè)丈量電路靈敏度S1=100mV/PF，讀書

19、儀表的靈敏度S2=5格/mV，上述情況下，儀表的指示值變化多少格？7 7、如下圖的一種變面積式差動(dòng)電容傳感器，選用、如下圖的一種變面積式差動(dòng)電容傳感器，選用二極管雙二極管雙T T網(wǎng)絡(luò)丈量電路。差動(dòng)電容器參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)丈量電路。差動(dòng)電容器參數(shù)為：a=40mma=40mm，b=20mmb=20mm，dl=d2=d0=1mmdl=d2=d0=1mm；起始時(shí)動(dòng)極板處；起始時(shí)動(dòng)極板處于中間位置，于中間位置，Cl=C2=C0Cl=C2=C0，介質(zhì)為空氣，介質(zhì)為空氣，=0=8.85=0=8.8510-12F/m10-12F/m。丈量電路參數(shù)：。丈量電路參數(shù)：D1D1、D2D2為理想二極管；及為理想二極管；及R1=R2=R=10KR1=R2=R=10K；RL=1MRL=1M，鼓勵(lì)，鼓勵(lì)電壓電壓Ui=36VUi=36V，變化頻率，變化頻率f=1MHzf=1MHz。試求當(dāng)動(dòng)極板向右。試