《电容式传感器》PPT课件.ppt

第四章 电容式传感器,电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。 我们先来看几个例子，来体会一下将非电量转化为电容值的变化。,实例：指纹识别传感器,图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器,指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。 下图为指纹经过处 理后的成像图：,优点：体积小、成本低、成像精度高、耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。,.1 电容式传感器的工作原理和结构 .2 电容式传感器的灵敏度及非线性 .3 电容式传感器的特点及设计要点 4 .4 电容式传感器的测量电路 4 .4 电容式传感器的应用,.1 电容式传感器的工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为,式中: 电容极板间介质的介电常数, =0r, 其中0为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; S两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。,当被测参数变化使得式中的S、d或发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 一、 变极距型电容传感器 当传感器的r和S为常数, 初始极距为d0时, 可知其初始电容量C0为,若电容器极板间距离由初始值d0缩小d, 电容量增大C, 则有,可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。 此时C与d近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时, 才有近似的线性输出。 ,另外, 在d0较小时, 对于同样的d变化所引起的C可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。但d0过小, 容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质, 此时电容C变为,式中: g云母的相对介电常数, g= 7; 0空气的介电常数, 0= 1; d0空气隙厚度; dg云母片的厚度。,云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000 kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 上式中的(dg/0g)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20-100pF之间, 极板间距离在25-200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。,二、 变面积型电容式传感器,改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有线位移型和角位移型两种。,线位移型电容式传感器主要分为： 平面线位移型和圆柱线位移型两种。 图示为平面线位移型,对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化 电容量为：C =(0bx)/ 其灵敏度为 ：,图示为圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为：,x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度； r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径 其灵敏度为：,图为典型的角位移型电容式传感器，当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。,当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为 s=ar2/2，电容量为 ： 其灵敏度为：,三、 变介质型电容式传感器 1.图示为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。,式中：空气介电常数; C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C0= 由式可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,设被测介质的介电常数为1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为,圆筒电容器电容计算： 可看作若干不同半径的圆筒电容器串联。 其中半径为r的电容器电容： C=02rl/dr 总电容：,2.变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张, 绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图示为一种常用的测量长度或位移的结构。 图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为r2的电介质以不同厚度插入电容器中, 从而改变两种介质的厚度。传感器总电容量C为,式中: L0, b0极板长度和宽度; L第二种介质进入极板间的长度。若电介质r1=1, 当L=0时, 传感器初始电容C0=0r1L0b0/d0。 当介质r2进入极间L后, 引起电容的相对变化为,可见, 电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。,3. 图示为一种常用的测量厚度结构。,电容传感器类型总结,有介电层的变间隙型电容传感器,板状线位移变面积型,线性,线性,角位移变面积型,线性,筒状线位移变面积型,变介质型电容传感器,例3-1:,电容式液位传感器,线性,例题,单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求电容变化量？（已知空气的相对介电常数是1，真空的介电常数是8.85410-12F/M）,解：单组式变面积型平板形线位移电容传感器的灵敏度为,若极板相对移动2mm，则电容变化量为,作业,课后题4.5,.2 电容式传感器的灵敏度及非线性, 由以上分析可知, 除变极距型电容传感器外, 其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的, 故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。电容的相对变化量为,当,时，则上式可按级数展开，故得,可见, 输出电容的相对变化量C/C与输入位移d之间呈非线性关系。当 d/d0 1 时，可略去高次项, 得到近似的线性：,电容传感器的灵敏度为,它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。,如果考虑线性项与二次项, 则,由此可得出传感器的相对非线性误差为,可以看出: 要提高灵敏度, 应减小起始间隙d0, 但非线性误差却随着d0的减小而增大。,在实际应用中, 为了提高灵敏度, 减小非线性误差, 大都采用差动式结构。在差动式平板电容器中, 当动极板位移d时, 电容器C1的间隙d1变为d0-d, 电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则,在d/d01时, 则按级数展开:,电容值总的变化量为 C= C1-C2=C0,电容值相对变化量为,如果只考虑式中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差近似为,可见, 电容传感器做成差动式之后, 灵敏度提高一倍, 而且非线性误差大大降低了。,4.3 电容式传感器的测量电路, 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 一、 调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。,高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路,虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图所示。图中调频振荡器的振荡频率为,式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。,当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, 当被测信号不为 0 时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为,调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01 m级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控。 二、 运算放大器式电路 运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。 图示为运算放大器式电路原理图。Cx为电容式传感器, 是交流电源电压, 是输出信号电压, 是虚地点。 由运算放大器工作原理可得,如果传感器是一只平板电容, 则Cx =S/d, 代入上式, 有 ,式中“-”号表示输出电压 的相位与电源电压反相。 上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度, 还要求电源电压 的幅值和固定电容C值稳定。 ,图示为二极管双T型交流电桥电路原理图。 e是高频电源, 它提供幅值为Ui 的对称方波, VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管, R1 = R2 = R, C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时, C1 = C2 。电路工作原理如下: 当e为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止, 于是电容C1充电; 在随后负半周出现时, 电容C1上的电荷通过电阻R1, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I1 。在负半周内, VD2导通、VD1截止, 则电容C2充电; 在随后出现正半周时, C2通过电阻R2, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I2 。 根据上面所给的条件, 则电流I1 =I2, 且方向相反, 在一个周期内流过RL的平均电流为零。,三、 二极管双T型交流电桥,若传感器输入不为 0, 则C1 C2, 那么I1I2, 此时RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为,式中f为电源频率。 当RL已知, 式中 R（R+2RL）/（R+RL）2RL = M（常数）, 则 Uo=Ei fM(C1-C2),从上式可知, 输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关, 而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。 当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高, 当电源频率为 1.3MHz, 电源电压Ei= 46 V时, 电容从-7+7pF变化, 可以在 1M负载上得到-5 +5 V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当Ui幅值较高, 使二极管VD1、VD2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关, 而仅与R1、R2及RL有关, 其值为1 100k。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1k的负载电阻上升时间为 20 s左右, 故可用来测量高速的机械运动。 ,四、 脉冲宽度调制电路,电路各点波形如上图所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后， 可获得Uo输出,式中： U触发器输出高电平； T1、T2Cx1、Cx2充电至E时所需时间。,将T1、T2代入，得,变间隙型差动电容传感器：,变面积型差动电容传感器：,作业,4.7 下图为单极变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设放大器为理想运放，根据其特点证明下面的表达式成立： 其中 A为电容Cx极板相对面积， d为极距,4.4电容传感器的设计要点,4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 电极： 电极的支架： 电介质： 结构： 电源频率：,4.4.2消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。 适当减小极间距，使极径与间距比很大。 结构上增设等位环。 边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性。,图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图,4.4.3消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。 消除和减小寄生电容可采用如下方法： 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。,将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。,采用“驱动电缆技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。,图4-7 “驱动电缆”技术电原理图,采用运算放大器法,图4-8 运算放大器法电原理图,整体屏蔽法,图4-9 两个整体屏蔽法例子,4.4.4防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。,4.5 电容传感器应用,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。 变极距型 适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m 、分辨率可达0.001m。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01m 。,电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1至几十度，分辨率约0.1，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。 电容式测振幅传感器 可测峰值为050m、频率为10 2kHz，灵敏度高于0.01m ，非线性误差小于0.05m。,一、 电容式位移传感器, 二、 电容式压力传感器 图示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 ,产品,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,三、 电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,四、电容式湿度传感器,湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。,HM1500湿度传感器,当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 湿敏电容的主要优点是：,灵敏度高 产品互换性好 响应速度快,湿度的滞后量小 便于制造 容易实现小型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些,五、其他应用,1. 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件 理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘 工艺较机械结构复杂,2.液位计,3. 料位计,电容式接近开关,Sitrans LU 超声波,Sitrans LR 400 4线连续 FMCW雷达,Sitrans LC 500 电容,4. 驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,