第5章电容式传感器资料

1、第5章静电电容式传感器，5.1工作原理5.2测量电路5.3的典型应用，本章的知识要点、平板容量、圆筒容量的容量表示。 各种电容传感器的工作原理。 变极距离式传感器的灵敏度和非线性误差分析。 电容传感器的测量电路。 例如指纹认证传感器，图为IBMThinkpadT42/T43指纹认证传感器，指纹认证所需的电容传感器包括约数万个金属导体阵列，其外为绝缘表面。 如果用户的手指朝上，金属导体阵列/绝缘体/皮肤就构成了对应的小型电容器阵列。 这些电容值根据脊(近)、槽(远)和金属导体之间的距离而变化。 指纹认证现在最常用的是静电电容式传感器，也被称为第二代指纹认证系统。 下图显示了指纹图像：体积小、成本

2、低、图像精度高、功耗低，非常适合家用电器。 电容传感器简介、2、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载、价格便宜。 3、缺点：电容传感器的漏电阻和非线性等缺点也给其应用带来了一定的限度。 4、应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数。 1、转换原理：将测量的变化转换为容量变化。 5.1电容传感器的工作原理和结构，式中：电容极板间介电体的介电常数，=0r，其中0是真空介电常数，r极板间介电体的相对介电常数a两平行板复盖的面积d2个平行平板间的距离。 如图所示，变极间距型、变面积型、变介电常数型、由用绝缘介质分隔的两个平行金属板构成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容为：

3、平板电容器、圆柱电容器、圆柱电容器的两极板由与圆柱导体a同轴的圆柱壳体导体b构成。 在lRBRA的情况下，电容器的容量以：筒状的容量、结构形式，如图所示，给出了常见的电容器的原理结构形式。 其中，图(a )、(b )是变极间距型，(c )、(d )、(e )和(f )是变面积型。 图6 a、图6 b、图6 c、图6 e和图6 f是线位移传感器，图6 d是角位移传感器，图6 b和图6 f是差动式静电电容传感器. 5.1.1变面积型静电电容式传感器，改变两极板的被复面积来改变静电电容，当可动极板相对于固定极板在长度方向上x直线移动时，c和x处于直线关系，平板状静电电容、线位移面积型、筒状静电电容，

4、c和x处于直线关系，角位移面积传感器，角位移改变了被复面积0时，式中： r介质的相对介电常数； d0两极板间的距离A0两极板间的初始被复面积。 0时，c和角位移为线性关系，角位移变化面积型，5.1.2介质型静电电容式传感器，初始电容，电容和液位的关系为：电容增加量和液位h为线性关系。 当L=0时，传感器的初始电容，如果被测定介质进入极板间l的深度，则电容的相对变化量，电容的变化量和移动量l处于线性关系。 介质型电容传感器主要可以测量纸、绝缘膜等的厚度，也可以测量粮食、纺织品、木材和煤等非导电性固体介质的湿度。5.1.3变极距离型静电电容传感器、变极距离型静电电容传感器、初始电容、1、工作原理，

5、图5-3静电电容与极板间距离的关系，d/d01的情况下，c和d大致为线性关系，d0小时灵敏度高，d0过小，电容器容易被破坏。 采用高介电常数材料(云母、塑料薄膜等)，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气隙的厚度dg云母片的厚度。 两个电容器串联连接，云母片的介电常数高，极板的间隔大幅度变小。 极板间距一般在25200um的范围内，最大位移必须在间距的十分之一以下，因此该静电电容式传感器主要用于微小位移测量。在d/d0|1的情况下，级数展开、2、变极距离式电容传感器的非线性分析，在|d/d0|1的情况下，省略高次项，如果考虑二次项，则对于非线性误差，为了提高灵

6、敏度，应该减小开始间隙d0，但是非线性误差随着d0的减少而变大另外，提高灵敏度，减少非线性误差，在差动式的结构，d/d01的情况下，如果级数地展开，则省略高阶项，如果考虑线性项和三阶项，对非线性误差近似的线性关系得到改善，灵敏度加倍则线性度得到改善，5.2.1频率调制电路将静电电容传感器作为振荡器谐振电路的加上鉴别器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，放大后就能用设备的指示和记录仪记录。 为了5.2静电电容式传感器的测量电路，采用振荡器固有频率f0、振荡电路固有电容、引线分布电容、传感器电容、5.2.2变压器式交流桥时，输出电压和位移处于线性关系。 5.2.3运算放大器式电路对于平板电容器，C

7、x=A/d、增益、传感器容量、虚地点、输出电压Uo和极板间距离d处于线性关系，5.3.4二极管双t型交流桥、高频电源、差动电容器、R1=R2=R、二极管R1=R2=R，正，负的半周期对称，正半周期： C1充电，C2放电，负半周期： C2充电，C1放电，传感器未输入的情况：C1C2，正半周期：即使C1充电电量增加，C2放电的状况也不变。 输出正电压时不变化。，负的半周期： C2的充电状况不变化，C1的放电电流增大。 输出负电压变小。 传感器有输入的情况下，C1C2、正的半周期： C1充电量不变，C2放电增加。 输出正电压的情况变大。 负半周期： C2充电量增加，C1放电电流不变。 输出负电压时不

8、变化。，电路的优点：简单，不需要附加相敏感检波电路。 另外，电源以正半周期VD1短路VD2被断开，不考虑电容器C1充电的影响，电容器C2的电压初始值是UE，二极管被理想化，电源为正的半周期时电路与一次电路等效，供电电压与振幅UE、周期t， 在占空比为50%的方形波中，如：那样直接得到电容器C2的电流iC2，在R (RRL)/(R RL)C2T/2时，电流iC2的平均值iC2可以写入，因此，在负载RL中产生的电压同样地，在负的半周期中，电容器C1的平均电流IC1 差动电容相等时，电压平均值为零。 如果差分电容不相等，则平均电压值不为零。 在、差动电容不相等的情况下，uAB电压经低通滤波器滤波后，

9、Uo输出，式中： U1触发器输出高电平； T1、T2C1、C2充电到Ur所需的时间。 可变间隙型差动电容传感器：可变面积型差动电容传感器：5.3的典型应用，5.3.1电容式压力传感器，差动式电容式压力传感器的结构图，原理：隔膜构成可动电极，凹状玻璃上的金属镀层构成固定电极，差动电容器。5.3.2电容式加速度传感器、差动式电容式加速度传感器的结构图、原理：传感器壳体根据被测量对象在垂直方向上直线地加速运动时，质量体在惯性空间中相对静止，两个固定电极相对于质量体在垂直方向上产生大小与被测量加速度成比例的位移。 该位移改变两个电容的间隙，一个增加，一个减少，其中C1、C2大小相等，符号产生相反的增量

10、，该增量与被测量加速度成比例。 电容式加速度传感器的主要特征：频率响应快，范围宽，多采用空气和其他气体作为阻尼物质。 5.3.3差动式静电电容测量厚度传感器静电电容测量厚度传感器可以用于金属带轧制中的厚度测量，其工作原理是在被测量带的上下两侧放置面积相等、与带的距离相等的极板，由此极板和带构成了两个电容器C1、C2。用导线连接两张极板作为一个极，条带是容量的另一个极，其总容量为C1 C2，条带厚度变化会引起容量的变化，用交流桥测量容量的变化，放大后可以用电表指示测量结果。 只要条带上下变动，容量就不变化，如果条带的厚度变化，容量就变化，桥接器将该信号的变化作为电压输出，经过放大、整流，送出处理

11、显示。 加速度传感器在汽车上的应用，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，轿车前部的折叠式安全气囊迅速膨胀，支撑着驾驶员和前排乘客的胸部和头部。 使用装有传感器的假人、安全气囊、汽车安全气囊的保护作用、加速度传感器，汽车相撞时，可以通过控制系统使安全气囊迅速膨胀。 利用汽车气球对驾驶员的保护作用、利用加速度传感器来延迟起爆的钻头炸弹、传感器的安装位置、敏感的电容器、具有大吸湿性的绝缘材料作为电容器的介质，在其两侧面电镀多孔性电极。 相对湿度变大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，两电极间的介电体的相对介电常数大幅度增加(水的相对介电常数为80 )，因此容量变大。 感湿性电容器外形、吸水性高分子薄膜、感湿性电容器模块和传感器的外形、静电电容式接近开关、被检测物体可以是导电体