第5章電容式傳感器

1、第5章 電容式傳感器 5.1 工作原理工作原理5.2 測(cè)量電路測(cè)量電路5.3 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 本章知識(shí)要點(diǎn)本章知識(shí)要點(diǎn)平板電容平板電容、圓筒電容、圓筒電容的電容量的電容量表示表示。各各種電容傳感器的種電容傳感器的工作原理工作原理。變極距式傳感器的變極距式傳感器的靈敏度靈敏度及及非線性誤差分析非線性誤差分析。電容式傳感器的電容式傳感器的測(cè)量電路測(cè)量電路。實(shí)例：指紋識(shí)別傳感器圖為IBM ThinkpadT42/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表面。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

2、們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。 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)。 下圖為指紋經(jīng)過處 理后的成像圖：優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低、成像精度高、耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。電容式傳感器概述電容式傳感器概述2 2、優(yōu)點(diǎn)：、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價(jià)格低廉。應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價(jià)格低廉。3 3、缺點(diǎn)：、缺點(diǎn)：電容式傳感器的電容式傳感器的泄漏電阻泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來一定的局限。給它的應(yīng)用帶來一定的局限。4 4

3、、應(yīng)用：、應(yīng)用：測(cè)量壓力、力、測(cè)量壓力、力、位移位移、振動(dòng)、液位等參數(shù)。、振動(dòng)、液位等參數(shù)。1 1、變換原理、變換原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量電容量變化。變化。5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)式中式中: 電容極板間介質(zhì)的電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)，=0r，其中，其中0為為真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； A 兩平行板所覆蓋的兩平行板所覆蓋的面積面積； d 兩平行板之間的兩平行板之間的距離距離。 變極距型變極距型變面積型變面積型變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型dA 如圖所示，由絕緣介質(zhì)分開的兩

4、個(gè)平行金屬板組成的如圖所示，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平板電容器, , 如果不考慮邊緣效應(yīng)如果不考慮邊緣效應(yīng), , 其電容量為：其電容量為：dAdACr0平板平板形電容器形電容器圓柱形電容器圓柱形電容器 圓柱形電容器的兩極板由圓柱形導(dǎo)體A和同軸的圓柱殼導(dǎo)體B組成。當(dāng) l RB RA 時(shí)，電容器的電容為：筒狀電容筒狀電容 結(jié)構(gòu)形式 如圖所示，給出了一些如圖所示，給出了一些常見電容式傳感器的原理常見電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)形式。其中圖結(jié)構(gòu)形式。其中圖(a)(a)、(b)(b)為變極距型；圖為變極距型；圖(c)(c)、(d)(d)、(e)(e)和和(f)(f)為變面積型；圖為變面積

5、型；圖(g)(g)和和(h)(h)為變介電常數(shù)型。為變介電常數(shù)型。圖圖(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)、(e)(e)和和(f)(f)是線位移傳感器；圖是線位移傳感器；圖(d)(d)是角位移傳感器；圖是角位移傳感器；圖(b)(b)和和(f)(f)是差動(dòng)式電容傳感器。是差動(dòng)式電容傳感器。 x5.1.1 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 dbxaCr)(0改變兩極板覆蓋改變兩極板覆蓋面積，從而改變面積，從而改變電容量電容量axCC0動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)時(shí)C與與x呈線性呈線性關(guān)系關(guān)系平板狀電容平板狀電容線位移變面積型dabCr0002()

6、2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr0CxCl筒狀電容筒狀電容C與與x呈線性呈線性關(guān)系關(guān)系角位移變面積傳感器角位移變面積傳感器角位移角位移引起覆引起覆蓋面積改變，從蓋面積改變，從而改變電容量。而改變電容量。當(dāng)當(dāng)=0時(shí)時(shí)0000dACr式中：式中： r介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； d0兩極板間距離；兩極板間距離； A0兩極板間初始覆蓋面積。兩極板間初始覆蓋面積。 當(dāng)當(dāng)0時(shí)時(shí)000001CCdACrC與角位移與角位移呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系0CC 角位移變面積型5.1.2 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(

7、2ln21011dDHCln20初始電容 電容與液位的關(guān)系為： hdDCln)(21電容增量與電容增量與液位液位h呈線性呈線性關(guān)系關(guān)系 。02010021)(dLLLbCCCrr當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容 000100dbLCr當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為02000) 1(LLCCCCCr電容變化量與電容變化量與移動(dòng)量移動(dòng)量L呈線呈線性關(guān)系性關(guān)系 。 變介質(zhì)型電容傳感器主要可以用來測(cè)量變介質(zhì)型電容傳感器主要可以用來測(cè)量紙張、絕緣薄紙張、絕緣薄膜膜等的厚度，等的厚度， 也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度導(dǎo)電固體

8、介質(zhì)的濕度。5.1.3 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 000dACrr000001ddCddACCCrd0 d C+C變極距型電容式傳感器變極距型電容式傳感器 初始電容 1、工作原理、工作原理圖圖5-3 電容量與極板間距離的關(guān)系電容量與極板間距離的關(guān)系 2dd2000000111ddddCddCCCCd/d01時(shí)000ddCCCC與與d近似近似呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系d0小小 則則 靈靈敏度高敏度高00ddCC00001ddCCkddCCd0過小，電容器容易被擊穿。過小，電容器容易被擊穿。采用高介電常采用高介電常數(shù)的材料（云數(shù)的材料（云母、母、 塑料膜塑料膜等）等）式中：式中：g 云母的相

9、對(duì)介電常數(shù)，云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0 空氣的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)，0=1； d0 空氣隙厚度；空氣隙厚度； dg 云母片的厚度。云母片的厚度。 00000ggggC CACddCC 相當(dāng)于兩相當(dāng)于兩個(gè)電容器個(gè)電容器串聯(lián)串聯(lián) 云母片的介電常數(shù)很高，極板間距可大大減小。極板云母片的介電常數(shù)很高，極板間距可大大減小。極板間距一般在間距一般在25200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。移測(cè)量。 00000ggggC CACddCC 當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時(shí)，按級(jí)數(shù)展開時(shí)，按

10、級(jí)數(shù)展開 30200001ddddddddCC00011ddddCCnnxxxx) 1 (1122、變極距式電容傳感器的非線性分析、變極距式電容傳感器的非線性分析00011ddCCC當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時(shí)略去高次項(xiàng)時(shí)略去高次項(xiàng)如果考慮到二次項(xiàng)二次項(xiàng)， 則 0001ddddCC相對(duì)非線性誤差相對(duì)非線性誤差%100%100|/|)/(0020dddddd表明：表明：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 00ddCC002001/11/11ddCCddCC提高靈敏度提高靈敏度,減減小非線性誤差小非線性誤差差動(dòng)式結(jié)構(gòu)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)d在在d/d0C2 正半周：正半周：C1充電

11、電充電電量增多量增多 ，C2放電情況放電情況不變。輸出正電壓情況不變。輸出正電壓情況不變。不變。 負(fù)半周：負(fù)半周：C2充電情充電情況不變，況不變，C1放電電流放電電流增大增大 。輸出負(fù)電壓變。輸出負(fù)電壓變小。小。傳感器有輸入時(shí)傳感器有輸入時(shí) 如果如果C1 C200U 正半周：正半周：C1充電電充電電量不變量不變 ，C2放電情況放電情況增加。輸出正電壓情況增加。輸出正電壓情況變大。變大。 負(fù)半周：負(fù)半周：C2充電電充電電量增加，量增加，C1放電電流放電電流不變。輸出負(fù)電壓情況不變。輸出負(fù)電壓情況不變。不變。電路的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，不須附加相敏檢波電路。電路的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，不須附加相敏檢波電路。電源為正半

12、周VD1短路VD2開路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE 若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50%的方波可直接得到電容C2的電流iC2如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫成 故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得負(fù)

13、半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為 ITRRRRU CCLLE1112 5.3.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路圖脈沖寬度調(diào)制電路圖 比較器比較器差動(dòng)差動(dòng)電容電容當(dāng)差動(dòng)電容相等時(shí)，當(dāng)差動(dòng)電容相等時(shí)，電壓平均值為零。電壓平均值為零。當(dāng)差動(dòng)當(dāng)差動(dòng)電容相電容相等時(shí)，等時(shí)，電壓平電壓平均值為均值為零。零。當(dāng)差動(dòng)當(dāng)差動(dòng)電容不電容不相等時(shí)，相等時(shí)，平均電平均電壓值不壓值不為零。為零。 當(dāng)差動(dòng)電容不相等時(shí)，當(dāng)差動(dòng)電容不相等時(shí)，uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，電壓經(jīng)低通濾波器濾波后， Uo輸出輸出 21211212111TTTTUTTTUTUUUUBAo式中：式中： U1 觸發(fā)器輸出高電平；

14、觸發(fā)器輸出高電平； T1、T2 C1、C2充電至充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。時(shí)所需時(shí)間。 121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222變間隙型差動(dòng)電容傳感器：變間隙型差動(dòng)電容傳感器：11212UddddUodddddd0201dUddUo10SUSSUo15.3 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 5.3.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器原理：膜片原理：膜片為動(dòng)電極，為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形兩個(gè)在凹形玻璃上的金玻璃上的金屬鍍層為固屬鍍層為固定電極，構(gòu)定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容成差動(dòng)電容器。器。5

15、.3.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體 原理：原理：當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止相對(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)加速度的位移位移。 此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，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。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)：頻率響應(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)。

16、 5.3.3 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 電容測(cè)厚傳感器可以用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè)，其工作原理是在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等， 與帶材距離相等的極板，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)線連接起來成為一個(gè)極， 而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，如果帶材的厚度發(fā)生變化， 將引起電容量的變化，將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來，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經(jīng)過放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。示測(cè)量結(jié)果。 差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖

17、 被測(cè)帶材被測(cè)帶材21CCCx如果帶材只是上下波動(dòng)，如果帶材只是上下波動(dòng)，電容不變；如果帶材的電容不變；如果帶材的厚度變化使電容變化，厚度變化使電容變化，電橋?qū)⒃撔盘?hào)變化輸出電橋?qū)⒃撔盘?hào)變化輸出為電壓，經(jīng)放大、整流，為電壓，經(jīng)放大、整流，送出處理顯示。送出處理顯示。 加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)， 微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，撞，于是就啟動(dòng)轎車

18、前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延延時(shí)起爆的鉆地炸彈時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置濕敏電容濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩度增大