第五章：电容传感器 中国矿业大学检测原理与技术课件.ppt

第一节电容传感器基本工作原理,第二节电容传感器测量电路,第三节电容式传感器的应用,第五章电容式传感器,学习要求,1、熟悉三种不同类型的电容传感器的工作原理；,2、熟悉电容传感器的检测电路；,3、掌握电容传感器的典型应用和创新应用。,平板电容器的电容为,电容式传感器分为：变极距型、变面积型、变介质型三类。,第一节电容传感器基本工作原理,1.1变极距型电容传感器,传感器灵敏度,可见，灵敏度与d2成反比，极距越小，灵敏度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常只用于微小位移的测量。（0.0050.01mm),1.2变面积型电容传感器,1平行线位移传感器,灵敏度：,有效面积S=bx,所以,2角位移型传感器,扇型有效面积:,灵敏度：,此类传感器适用于较大线位移或角位移的测量。,所以,1.3变介质型电容传感器,如图所示，测量液面高度的电容式液位计，1、2为两个同心圆柱状极板,1被测液体介电常数,2空气的介电常数,l柱体的有效总长度,l1浸入液体的实际高度,D、d两同心圆柱的直径,(1)运算放大器电路,如果传感器为平行板电容器,灵敏度,解决了非线性问题,非线性,第二节电容传感器测量电路,高频信号源，当系统电桥平衡时，,改变Cx,(2)桥式电路,1、膜片电极式压力传感器,由一个固定电极和膜片电极构成电容。,第三节电容式传感器的应用,2、电容加速度传感器,测量振动使用加速度传感器，一般采用惯性式原理测量绝对加速度。下图中所示的是一种差动式电容加速度传感器。它有两个固定极板，中间有一个用弹簧片支撑的质量块，此质量块两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。,硅微加工加速度传感器,微加工三轴加速度传感器,2、电容加速度传感器,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,2、电容加速度传感器,3、电容荷重传感器,传感器原理结构如图所示。用一块特殊钢（一般采用镍铬钼钢，其浇铸性好，弹性极限高），在同一高度上并排打圆孔，在孔的内壁以特殊的粘接剂固定两个截面为T型的绝缘体，保持其平行并留有一定间隙，在相对面粘贴铜箔，从而形成一排平板电容。当园孔受荷重变形时，电容值将改变，在电路上各电容并联，总电容增量将正比于被测平均荷重F。,4、电容湿度传感器,右图是利用多孔氧化铝吸湿的电容式湿度传感器示意图。以铝棒和能渗透水的黄金膜为极板，极板间充以氧化铝微孔介质。多孔性氧化铝可从含有水分的气体中吸收水蒸气或从含水液体介质中吸收水分，吸水以后，介电常数发生变化，电容量随之改变。,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,4、电容湿度传感器,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,4、电容湿度传感器,湿敏电容模块及传感器外形,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,4、电容湿度传感器,5、新型电容式指纹传感器,指纹由于具有唯一性（人各不同，指指相异）和稳定性（终生基本不变）而使其成为个人身份识别的一种有效手段。将某人的指纹采集下输入计算机是进行自动指纹识别（AFIS）的首要步骤。指纹图象的获取一般有两类方法：一是众所周知的使用墨水和纸的方法，这种方法费工费时且不可靠，不适合用于AFIS。另一类方法是利用设备取像，这种方法又分为光学设备取像、晶体传感器取像和超声波取像。,5、新型电容式指纹传感器,光学设备取像是利用光的全反射原理（FTIR），并使用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，但缺点是成本高和体积大；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，且可以采用自动获取控制（AGC）技术和软件调整的方法来改善增益的图像质量，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，只有耐磨损方面略逊；超声波取像是一种新兴的指纹提取手段，它直接扫描真皮组织，因此，积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像的影响不大，但器件成本较高，目前还没有成熟的产品在市场上出现。,5、新型电容式指纹传感器,美国Veridicom公司推出的FPS110电容式指纹传感器，该传感器是由著名的贝尔验室联合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。,5、新型电容式指纹传感器,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，当用户的手指放在上面时，由皮肤来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，这里指的是脊（近的）和谷（远的）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。该传感器的生产采用标准CMOS技术，大小为1515mm2，获取的图像大小为300300，分辨率为500DPI。FPS110提供有与8位微处理器相连的接口，并且内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功耗很低（200mw），价格也比较便宜（人民币600元以下）。下图为利用FPS110获取的指纹图象,5、新型电容式指纹传感器,电容传感器系列,创新应用,第五章小结,1、变极距型电容传感器,输出呈非线性关