电容式传感器ppt课件

1、4.1 4.1 电容式传感器的任务原理和构造电容式传感器的任务原理和构造4.2 4.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路4.3 4.3 电容式传感器的丈量电路电容式传感器的丈量电路4.4 4.4 电容式传感器的运用电容式传感器的运用 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。被丈量C UI运用： 电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精细丈量，而且还逐渐地扩展到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的丈量。电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电

2、容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器电容式传感器典型运用电容式传感器典型运用硅微电容式加速度传感器硅微电容式加速度传感器丈量管道液位高度丈量管道液位高度电容式键盘 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，原理是经过按键改动电极间的间隔产生电容量的变化，暂时构成震荡脉冲允许经过的条件。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器的典型运用电容传声器 传声器Microphone俗称话筒，是一种声电换能器件，如今广播文娱方面运用的绝大多数是动圈式和电容式。驻极体电容传声器大膜片电容传声器电容式传感器的典型运用 电容传声器以振膜与后极板间

3、的电容量变化经过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率呼应宽而平坦，是高性能传声器。 指纹识别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。它的优点是体积小、本钱低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适宜在消费类电子产品中运用。电容式传感器的典型运用IBM Thinkpad T42/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外表，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谷远的与金属导体之间的间隔不同而变化。电容式传感器的运用4.1 任

4、务原理和构造 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 假设不思索边缘效应, 其电容量为0rAACdd 00真空介电常数；真空介电常数；电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数 A A极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； d d极板间间隔；极板间间隔；rr相对介电常数；相对介电常数； 1、增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距，但易产生击穿并限制丈量范围 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。为了消除边缘效应的影响，可以维护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时一直坚持等电位，以保证中间任务区得到均匀的场强分布，从而抑制边缘效应的影响。为减小

5、极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属资料，蒸涂一薄层金属作为极板。带有维护环的电容传感器原理图2、采用带有维护环等位环的构造变极距变极距( d )( d )型型变面积型变面积型( A )( A )型型变介电常数变介电常数()()型型 4.1 任务原理和构造 在实践运用中，通常坚持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，经过丈量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。 根据这一性质，电容式传感器可以分为d,A,(r)变化C变化U(I)变化4.1 任务原理和构造一、变极距型电容传感器000dACr当传感器的r和A为常数, 初始极距为d0时,

6、 可知其初始电容量C0为假设电容器极板间间隔由初始值d0减少d, 电容量增大C, 那么有(4-1)000001ddCddACCCr图4.1.1 电容量与极板间隔的关系CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d 由式(4-1)可知, 传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系, 而是如图 4.1.1 所示曲线关系。4.1 任务原理和构造2000100011ddddddddddCC由式(4-1)得，电容相对变化量为4.1 任务原理和构造0001ddCCdd可见电容的相对变化与输入位移d之间的关系也是非线性的，当4.1 任务原理和构造 此时近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只需在d/d0很小时

7、, 才有近似的线性输出。 灵敏度(单位位移引起的输出电容相对变化量)：ddCCC0000dCdCS 思索二项式的相对非线性误差：%100/%100/)/(0020dddddd4.1 任务原理和构造 由此可得： (1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的方法。(4)在实践运用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容构造。(3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适宜丈量小位移。(2)非线性随着相对位移d的添加而添加，为保证线性度应限制相对位移。110ddACggg=7g=7云母的相对介电常数云母的相对介电常数1=11=1空气的相对介电常数空气的相对介电常数 d1 d1空气隙厚度空气隙厚

8、度 dg dg云母片的厚度云母片的厚度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资料云母、塑料膜等作介质(如图 4.1.2所示), 此时电容C变为4.1 任务原理和构造图4.1.2 放置云母片的电容器当d1减小了d时，电容将增大C，因此电容变为：10100/11)(/dddCdddACCCgggg1/1dddgg 3121102110/C/1dddddddddCddddddCCgggggggggg即：4.1 任务原理和构造由于 ，可按泰勒级数展开10/CdddCgg%dddgg100110/CSddgg并可略去高次项得故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为4.1 任

9、务原理和构造 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为d/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为d/(d1+dg/g)，由于g=71故(d1+dg/g)C2,即d1=d0-d,d2=d0+d, 那么1UdduAB4.3 电容式传感器的丈量电路 由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板间隔以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 且转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直流输出, 且调宽频率的变化对输出没有影响。 同样, 在变面积电容传感器中, 那么有1UAAuAB4.3 电容式传感器的丈量电路4.4 电容式传感器的运用一

10、、 电容式压力传感器 图4.4.1 差动式电容压力传感器构造图 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器4.4 电容式传感器的运用1. 图4.4.1为差动电容式压力传感器的构造图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 2. 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所构成的两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化经丈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。 二 电容式加速度传感器 图4.4.2 差动式电容加速度传感器构造图 4.4 电容式传感器的运用621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端

11、；6壳体 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向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，一个添加，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F=ma。 电容式加速度传感器的主要特点是频率呼应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 4.4 电容式传感器的运用加速度传感器在汽车中的运用 假人气囊4.4 电容式传感器的运用三 差动式电容测厚传感器电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测。任务原理如下 在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带

12、材间隔相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线衔接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，假设带材的厚度发生变化，将引起极板间距电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示丈量结果。 4.4 电容式传感器的运用差动式电容测厚传感器的丈量原理框图如图4.4.34.4 电容式传感器的运用图 4.4.3 差动式电容测厚仪系统组成框图 4.4 电容式传感器的运用 音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为丈量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由规范电容C0和带材与极板构成的被测电容Cx(

13、Cx=C1+C2)组成。 电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。 电容式转速计4.4 电容式传感器的运用图中电容式转速传感器由固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。电容量的周期变化速率即为转速。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，原理是经过按键改动电极间的间隔产生电容量的变化，暂时构成震荡脉冲允许经过的条件。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换4.4 电容式传感器的运用电容传声器 传声器Microphone俗称话筒，是一种声电换能器件，如今广播文娱方面运用的绝大多数是动圈式和电容

14、式。驻极体电容传声器大膜片电容传声器4.4 电容式传感器的运用 电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化经过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率呼应宽而平坦，是高性能传声器。 指纹识别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。它的优点是体积小、本钱低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适宜在消费类电子产品中运用。4.4 电容式传感器的运用IBM Thinkpad T42/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外表，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

15、列。它们的电容值随着脊近的和谷远的与金属导体之间的间隔不同而变化。4.4 电容式传感器的运用 以下图是变极距型差动平板式电容传感器构造及其接法表示图。-+2动极板+1定极板定极板差动平板式电容传感器构造图差动式电容构造 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, 那么002001/11/11ddCCddCC000001ddCddACCCr根据4-1差动式电容构造 动极板位移之前，C1=C2=C0, d1=d2=d0有 在d/d01时, 按级数展开得 3020002302000111ddddddCCddddddCC 动极板位移后，两个电容容量之差 300

16、0212ddddCCCC差动式电容构造 电容值相对变化量为.)()(1 2402000ddddddCC 假设只思索上式中的线性项和三次项, 那么电容式传感器的灵敏度和相对非线性误差近似分别为002dCdCS%100)(%100)(2)(22003dddddd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。差动式电容构造被丈量 d，S， C U(I,f)1掌握不同类型的电容传感器构成原理及其用途。 平行板电容器电容量： 柱式电容器电容量：dSdSCr0dDLCln2本章要点：空气介质的变间隙式电容传感器： 灵敏度： 非线性误差：线位移变面积式电容传感器： 00ddC

17、C00CCKdd%100/%100/)/(0020ddddddLxdbCCC0 xdbxCKxdbnnCCCx02.电容传感器输出特性和丈量电路 3.电容式传感器的运用角位移变面积式电容传感器： 变介电常数式电容传感器： 0CCKdSC0r0CC1.试述电容式传感器的任务原理与分类。每种类型各有什么特点？各适用于什么场所？ 2.如何改善单极式变极距型电容式传感器的非线性？部分固体介质的变极距式电容传感器的设计目的？3.试计算图中所示各电容式传感元件的总电容。4.图 (a)所示差动式同心圆筒柱形电容传感器，其可动内电极圆筒外经d=9.8mm，固定电极外圆筒内经D=10mm，初始平衡时，上、下电容

18、器电极覆盖长度L1=L2=L0=2mm，电极间为空气介质。试求：1初始形状时电容器C1、C2的值；2当将其接入图 (b)所示差动变压器电桥电路，供桥电压E=10 V交流，假设传感器任务时可动电极筒向上挪动x= 0.2mm，电桥输出电压的变化量为多少？5.如下图正方形平板电容器,四个电容并联，极板长度a=4cm,极板间间隔=2mm.假设用此变面积型传感器丈量位移x,试计算该传感器的灵敏度。极板间介质为空气。6、有一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=5mm，开场初始间隙=0.3mm，问1任务时，假设传感器与工件的间隙减少1m，电容变化量是多少？2 假设丈量电路灵敏度S1=100mV/PF，读书

19、仪表的灵敏度S2=5格/mV，上述情况下，仪表的指示值变化多少格？7 7、如下图的一种变面积式差动电容传感器，选用、如下图的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管双二极管双T T网络丈量电路。差动电容器参数为：网络丈量电路。差动电容器参数为：a=40mma=40mm，b=20mmb=20mm，dl=d2=d0=1mmdl=d2=d0=1mm；起始时动极板处；起始时动极板处于中间位置，于中间位置，Cl=C2=C0Cl=C2=C0，介质为空气，介质为空气，=0=8.85=0=8.8510-12F/m10-12F/m。丈量电路参数：。丈量电路参数：D1D1、D2D2为理想二极管；及为理想二极管；及R1=R2=R=10KR1=R2=R=10K；RL=1MRL=1M，鼓励，鼓励电压电压Ui=36VUi=36V，变化频率，变化频率f=1MHzf=1MHz。试求当动极板向右。试