電容式傳感器及其應(yīng)用課件

1、課題3 電容式傳感器及其應(yīng)用任務(wù)1 電容式傳感器基本知識任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用任務(wù)3 電容式傳感器知識擴(kuò)展電容器指紋識別任務(wù)4 電容式傳感器項目實訓(xùn)由集成電路制作的電容感應(yīng)式控制電路返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識3.1.1電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為式中， 為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)， 0 = 8. 854x10-12F/m; r為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù);A為兩平行板所覆蓋的面積;d為兩平行板之間的距離。下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識當(dāng)被測參數(shù)變化使得式(3 -1)中的A、d

2、或發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式三種類型。1.變極距式電容傳感器如果兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關(guān)系變化，如圖3-2(b)所示。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識設(shè)極板2未動時傳感器初始電容為 。當(dāng)動極板2移動x值后，其電容值Cx為式中，d0為兩極板距離初始值。由式(3 -2)可知，電容量Cx與x不是線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。當(dāng)xd0時上一頁下一頁返回任務(wù)1

3、 電容式傳感器基本知識此時Cx與x近似呈線性關(guān)系，但量程縮小很多，變極距式電容傳感器的靈敏度為由式(3 -4)可見，極距變化型電容傳感器的靈敏度與極距的平方成正比，極距越小靈敏度越高。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)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)。這種傳感器由于存在原理上的非線性，靈敏度隨極距變化而變化，當(dāng)極距變動量較大時，非線性誤差要明顯增大。為限制非線性誤差，通常是在較小的極距變化范圍內(nèi)工作，以使輸入輸出特性保持近似的線性關(guān)系。一般取極距變化范圍x/d00. 1。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識實際應(yīng)用的極距變化型傳感器常做成差動式(如圖3 -3

4、所示)。上下兩個極板為固定極板，中間極板為活動極板，當(dāng)被測量使活動極板移動一個 x時，由活動極板與兩個固定極板所形成的兩個平板電容的極距一個減小、一個增大，因此它們的電容量也都發(fā)生變化。若xd0，則兩個平板電容器的變換量大小相等、符號相反。利用后面的轉(zhuǎn)換電路(如電橋等)可以檢出兩電容的差值，該差值是單個電容傳感器電容變化量的兩倍。采用差動工作方式，電容傳感器的靈敏度提高了一倍，非線性得到了很大的改善，某些因素(如環(huán)境溫度變化、電源電壓波動等)對測量精度的影響也得到了一定的補(bǔ)償。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識極距變化型電容傳感器的優(yōu)點是可實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量，動態(tài)響應(yīng)特性好，靈敏度和

5、精度極高(可達(dá)nm級)，適應(yīng)于較小位移(1 nm1 m)的精度測量。但傳感器存在原理上的非線性誤差，線路雜散電容(如電纜電容、分布電容等)的影響顯著，為改善這些問題而需配合使用的電子電路比較復(fù)雜。2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器工作時極距、介質(zhì)等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識圖3 -4所示為幾種面積變化型電容傳感器的原理示意圖。在理想情況下，它們的靈敏度為常數(shù)，不存在非線性誤差，即輸入輸出為理想的線性關(guān)系。實際上由于電場的邊緣效應(yīng)等因

6、素的影響，仍存在一定的非線性誤差。圖3 -4(a)所示為平面形位移電容傳感器。設(shè)兩個相同極板的長為b，寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動極板移動x后，電容Cx也隨之改變。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識電容的相對變化量和靈敏度為圖3 -4(b)為圓柱線位移電容傳感器。其靈敏度K也為一常數(shù)。圖3 -4(c)為角位移形式的電容傳感器。當(dāng)動片有一角位移時，兩極板的相對面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識當(dāng)=0時，當(dāng)0時，由(3-8)式可知，電容C與角位移呈線性關(guān)系。其靈敏度為上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識由以上分析可知，變面

7、積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度K是一常數(shù)。在實際應(yīng)用中，為了提高測量精度，減少動極板與定極板之間的相對面積變化而引起的測量誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。圖3 -5是改變極板間遮蓋面積的差動電容傳感器的結(jié)構(gòu)圖。上、下兩個金屬圓筒是定極片，而中間的為動片，當(dāng)動片向上移動時，與上極片的遮蓋面積增大，而與下極片的遮蓋面積減小，兩者變化的數(shù)值相等，方向相反，實現(xiàn)兩邊的電容成差動變化。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識3.變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。這類傳感器主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介

8、質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。如圖3 -6(a)所示，圖中兩平行極板固定不動，極距為0，相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電容量C為兩個電容C1和C2的并聯(lián)結(jié)果，即上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識式中，l0、b0為極板長度和寬度，l為第二種電介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。若傳感器的極板為兩同心圓筒，如圖3 -6(b)所示，其液面部分介質(zhì)為被測介質(zhì)，相對介電常數(shù)為x;液面以上部分的介質(zhì)為空氣，相對介電常數(shù)近似為1。傳感器的總電容C等于上、下部分電容C1和C2的并聯(lián)，即上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識其中，靈敏度由此可見，這種傳

9、感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h呈線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識3.1.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化后，還需由轉(zhuǎn)換電路將電容的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化。測量電路的種類很多，下面介紹常用的幾種測量電路。1.交流電橋這種轉(zhuǎn)換電路是將電容傳感器的兩個電容作為交流電橋的兩個橋臂，通過電橋把電容的變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓的變化。電橋通常采用由電阻一電容、電感一電容組成的交流電橋，圖3 -7所示為電感一電容電橋。變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感器的兩個電容C1、 C2作

10、為電橋的四個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應(yīng)的輸出，最后由儀表顯示記錄。2.調(diào)頻電路如圖3-8所示，把傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化，振蕩器的振蕩頻率為上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識式中，L為振蕩回路的電感;C為振蕩回路的總電容，C=C1+ C2+C0C。其中，C1為振蕩回路固有電容;C2為傳感器引線分布電容;魷，1 0C為傳感器的電容。當(dāng)被測信號為0時，C =0，則C =C1+C2+C0,所

11、以振蕩器有一個固有頻率關(guān)0，當(dāng)被測信號不為0時， C 0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過放大器放大后輸出。這種測量電路的靈敏度很高，可測0. 01 m的位移變化量，抗干擾能力強(qiáng)(加入混頻器后更強(qiáng))，缺點是電纜電容、溫度變化的影響很大，輸出電壓0與被測量之間的非線性一般要靠電路加以校正，因此電路比較復(fù)雜。3.運(yùn)算放大式電路如前所述，極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感器存在原理上的非線性。利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，從而使整個測試裝置的

12、非線性誤差得到很大的減小。圖3-9所示為電容傳感器的運(yùn)算式轉(zhuǎn)換電路。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識該電路為一幅值電路，高頻穩(wěn)幅交流電源提供載波，極距變什的信號(被測量)為調(diào)制信號，輸出為調(diào)幅波。與其他轉(zhuǎn)換電路相比，運(yùn)算式電路的原理菊為簡單，靈敏度和精度最高。但一般需用“驅(qū)動電纜”技術(shù)來消除電纜電容的影響，電路菊為復(fù)雜且調(diào)整困難。4.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路(PWM)是利用傳感器的電容充放電使電路輸出脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，再通過低通濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識圖3 -10為脈沖寬度調(diào)制電路。它由電

13、壓比較器A1、A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充彭電回路組成。其中R1= R2 , VD1、VD2為特性相同的二極管，C1、C2為一組差動電容傳感元件，初始電容值相等，R為比較器A1、A2的參考比較電壓。在電路初始狀態(tài)時，設(shè)電容C1= C2= C0，當(dāng)接通工作電源后雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R端為高電平，S端為低電平，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出高電平，Q端輸出低電平，此時A通過R1對C1充電，C點電壓C升高，當(dāng)C R時，電壓比較器A1的輸出為低電平，即雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R端為低電平，此時電壓比較器A2的輸出為高電平，即S端為高電平。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端翻轉(zhuǎn)為低電平，C經(jīng)二極管VD

14、1快速放電，很快由高電平降為低電平，Q端輸出為高電平，通過R2對C2充電，當(dāng)D R時，電壓比較器A2的輸出為低電平，即S端為低電平，電壓比較器A1的輸出為高電平，即雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R為高電平，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端翻轉(zhuǎn)為高電平，回到初始狀態(tài)。如此周而復(fù)始，就可在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各產(chǎn)生一寬度分別受C1、C2調(diào)制的脈沖波形，經(jīng)低通濾波器后輸出。當(dāng)C1=C2時，線路上各點波形如圖3-11(a)所示，東B兩點間的平均電壓為零。但當(dāng)C1、C2值不相等時，如C1 C2，則C1的充電時間大于C2的充電時間，即t1 t2，電壓波形如圖3-11(b)所示。上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識式中，H為觸

15、發(fā)器輸出的高電平值;t1為電容C1的充電時間;t2為電容C2的充電時間。設(shè)電阻R1=R2，經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值為上一頁下一頁返回任務(wù)1 電容式傳感器基本知識由上式可知，差動電容的變化使充電時間，t1、t2不相等，從而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的矩形脈沖寬度不等，即占空比不同。5.二極管雙T形交流電橋圖3-12所示是二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩個二極管，R1=R2 = R , C1、C2為傳感器的兩個差動電容。上一頁返回任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精

16、密測量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測量。1.電容式接近開關(guān)如圖3-13所示為電容式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當(dāng)沒有物體靠近檢測極時，檢測板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)(Q)的LC振蕩電路，Q=1/(CR)。當(dāng)被檢測物體為地電位的導(dǎo)電體(如與大地有很大分布電容的人體、液體等)時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。下一頁返回任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用當(dāng)不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時，由于檢測極板上施加有高頻電壓

17、，在它附近產(chǎn)生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對能量損耗較大的介質(zhì)(如各種含水有機(jī)物)，它在高頻交變極化過程中是需要消耗一定能量，該能量是由LC振蕩電路提供的，必然使Q值進(jìn)一步降低，振蕩減弱，振蕩幅度減小。當(dāng)被測物體靠近到一定距離時，振蕩器的Q值低到無法維持振蕩而停振。根據(jù)輸出電壓U0的大小，可大致判定被測物接近的程度。上一頁下一頁返回任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用2.電容式油量表圖3-14所示為電容式油量表的示意圖，可以用于測量油箱中的油位。在油箱無油時，電容傳感器的電容量CX=CX0，調(diào)節(jié)RP的滑動臂

18、位于0點，即RP的電阻值為0，此時，電橋滿足C0/CX=R1/R2的平衡條件，電橋輸出電壓為零，伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角=0。3.電容式差壓傳感器圖3-15所示為電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器主要由一個活動電極、兩個固定電極和三個電極的引出線組成。上一頁下一頁返回任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用動電極為圓形薄金屬膜片，它既是動電極，又是壓力的敏感元件;固定電極為兩塊中凹的玻璃圓片，在中凹內(nèi)側(cè)，即相對金屬膜片側(cè)鍍上具有良好導(dǎo)電性能的金屬層。當(dāng)被測壓力通過過濾器6進(jìn)入空腔5時，金屬彈性膜片1在兩側(cè)壓力差作用下，將凸向壓力低的一側(cè)。膜片和兩個鍍金玻璃圓片2之間的電容量便發(fā)生變化，由此便可測

19、得壓力差。這種傳感器分辨率很高，常用于氣、液的壓力或壓差及液位和流量的測量。上一頁下一頁返回任務(wù)2 電容式傳感器的應(yīng)用4.電容測厚儀電容式測厚儀是用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度的。它的變換器就是電容式厚度傳感器，其工作原理如圖3-16所示。在被測帶材的上下兩邊各置一塊面積相等，與帶材距離相同的極板，這樣極板帶材就形成兩個電容器(帶材也作為一個極板)。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來，就成為一個極板，而帶材則是電容器的另一個極板，其總電容C為:上一頁返回任務(wù)3 電容式傳感器知識擴(kuò)展電容器指紋識別指紋識別口前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低、成像精度高，而且

20、耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個重要特征，一是兩個不同手指的指紋紋脊的式樣不同，二是指紋紋脊的式樣終生不改變。這個研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用，18%年阿根廷首次應(yīng)用，然后是1901年的蘇格蘭，20世紀(jì)初其他國家也相繼應(yīng)用到犯罪鑒別中。指紋由多種“脊”狀圖形構(gòu)成，類似于山脊。由于紋路不連續(xù)，脊?fàn)顖D形多種多樣，諸如分岔、弧形、交叉、三角等。下一頁返回任務(wù)3 電容式傳感器知識擴(kuò)展電容器指紋識別識別軟件將這些脊?fàn)顖D形進(jìn)行坐標(biāo)定位，進(jìn)而從坐標(biāo)位置上標(biāo)示出數(shù)據(jù)點，有點像初中幾何畫函數(shù)圖的步驟。這些數(shù)據(jù)點同時具有7種以上的唯一性特征，由于通常

21、情況下一枚指紋有70個節(jié)點，通過軟件計算會產(chǎn)生大約490個數(shù)據(jù)。硅電容指紋圖像傳感器是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器，如圖3-17所示，它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100 000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極，充當(dāng)電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。上一頁下一頁返回任務(wù)3 電容式傳感器知識擴(kuò)展電容器指紋識別由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在)，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容值不同，測量并記錄各點的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信

22、號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準(zhǔn)確率，有效防止辨識錯誤。上一頁返回任務(wù)4 電容式傳感器項目實訓(xùn)由集成電路制作的電容感應(yīng)式控制電路1.實訓(xùn)目的通過本實訓(xùn)要求學(xué)生掌握電容感應(yīng)式控制電路的組成，正確選用電容式傳感器;能調(diào)試電容感應(yīng)式控制電路，進(jìn)行簡單的故障處理。2.工作原理電路主要由一個四一2輸入“與非”門集成電路CD4093內(nèi)部電路見圖3-18(b)組成，如圖3-18(a)所示。R1、C1及CD4093的一個與非門(、腳，IC1)構(gòu)成400 Hz方波振蕩器，振

23、蕩器輸出的方波分成兩路:一路直接送入一個與非門電路(、腳，IC2);另一路經(jīng)電容C2送入一個與非門(、腳，IC3)的一個輸入端。由于IC2接成非門的形式，所以它的輸入、輸出端電位相差180, IC2輸出的信號經(jīng)C3、C4藕合至IC3的另一個輸入端。下一頁返回任務(wù)4 電容式傳感器項目實訓(xùn)由集成電路制作的電容感應(yīng)式控制電路由于IC3兩個輸入端的電平相同，相位相反，因此只要IC1正常振蕩，IC3的兩個輸入端至少有一個為低電平，故IC3輸出端為穩(wěn)定的高電平，由于C6的作用，VT1截止。但是如取消IC3任何一個輸入端的輸入信號或使該信號幅度降到低于門電路的輸入閡值電平時，IC3就會輸出方波信號。當(dāng)有導(dǎo)體接近感應(yīng)電極片時，就會使由C2藕合到IC3輸入端腳的部分信號被分流到地，若被分流后的信號幅度低于與非門輸入