电容式传感器PPT课件.ppt

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1、1,第五章,电容式传感器,2,学习要求,1.掌握电容式传感器工作原理 2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点 3.了解电容式传感器的测量电路,3,指纹识别传感器,指纹识别传感器,图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器,4,电容式指纹识别传感器,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：,5,电容式指纹识别传感器,6,电容式指纹识别传感器,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,7,电容式指纹识别传感器,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

2、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。,8,电容式指纹识别传感器,它的优点： 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。,9,电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。,10,5工作原理、结构及特性,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数（）、极板间介质的相对介电常数、极板的有效

3、面积以及两极板间的距离有关： 若被测量的变化使式中、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，,11,再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。,12,5.1.1变极距型电容传感器,图5为这种传感器的原理图。当传感器的和为常数，初始极距为，可知其初始电容量为 当动极端板因被测量变化而向上移动使减小 时，电容量增大则有,13,图5,定极板,动极板,14,可见，传感器输出特性f()是非线性的，电容相对变化量为 如果满足条件，可按级数展开成 略去高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度分别为,15,如果考虑式中的线性项及二次项，则

4、其相对非线性误差为,16,由上讨论可知： (1)变极距型电容传感器只有在 很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出； (2)灵敏度S与 初始极距的平方成反比，故可用减少 的办法来提高灵敏度。,17,可见， 的减小会导致非线性误差增大； 过小还可能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。 差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时， ，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为 ；两组电容一增一减。由同样的分析方法得电容总得相对变化量为,18,略去高次项，可得近似得线性关系 相对非线性误差 为 上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏度提高一倍

5、，且误差大大减小。,19,5.1.2 变面积型电容传感器,原理结构如图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板 有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度 方向平移 时，则电容为,20,式中 为初始电容。电容得相对变化量为 输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大得直线位移和角位移。它的灵敏度为,21,变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(

6、柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。,22,A,B,C,23,5.1.3变介质型电容传感器,这种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物质的湿度。 图中两平行极板固定不动，极距为 ，相对介电常数为 的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电云量C为两个电容 和 的并联结果。 式中、为极板长度和宽度,24,25,为第二种电介质进人极间的长度。 若电介质1为空气( )，当 =0 时传感器的初始电容 ；当介质2进入极

7、间 后引起电容的相对变化为 可见,电容的变化与电介质2的移动量 成线型关系。 上述原理可用于非导电流散材物料的物位测量。如图所示，将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。可测出的电容量即反映灌装高度L。,26,5.2应用中存在的问题及其改进措施 5.2.1等效电路,上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。,27,图中C为传感器电容， 为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗; 为高频、高温、

8、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感,28,克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一，下面专门讨论。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容 变化，从而引起传感器有效灵敏度的变化 在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。,29,5.2.2边缘效应,以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算 函数 的数值查阅相关传感器 手册,30,

9、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，可以采用带有保护环的结构，保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。,31,5.2.3静电引力,电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。查阅相关手册得到各种电容传 感器静电

10、引力的计算公式。,32,5.2.4寄生电容,电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。,33,1驱动电缆法 它实际上是一种等电位屏蔽法。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双屏蔽电缆，并接人增益为1的驱动放大器，(接线如图示)。这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；内、外层屏

11、蔽之间的电容变成了电缆驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输人阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输人的相移为零。,34,2整体屏蔽法 以差动电容传感器， 配用电桥测量电路为例，U为电源电压，K为不平衡电桥的指示放大器。所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。本例中接地点选在两平衡电阻 、桥臂中间，与整体屏蔽共地。这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容同测量放大器的输入阻抗相并联，从而可将归算到放大器的输入电容中,35,由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，的并联也是不

12、希望的，但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容及 是并在桥臂 及 上，这影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。 3采用组合式与集成技术 一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。,36,525 温度影响,环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下

13、两个方面： 1温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下， 温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的 温度误差。 现以变极距型为例，设定极板厚度为 ，绝缘件厚度 ，动极板至绝缘底部的壳体长为 ，各零件材料的线膨胀系数分别为aa、ab、ag。当温度由t0 变化 t 后,极间隙将由0=a0-b0-g0变为t由此一起的温度误差为,37,由此可见，消除温度误差的条件为： 或者满足条件 2温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介

14、电常数的温度系数较大。例如煤油的 介电常数温度系数可达007/；若环境温度变化50，则将带来7的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。,38,5.3测量电路,电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后,必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。本节简要讨论电容式传感器常用的几种测量电路。,39,5.3.1变压器电桥 如图所示，C1、C2：为传感器的两个差动电容。 电桥的空载输出电压为 对变极距型 代入上式得 可见,对变极距型的变压器电桥负载阻抗极大时,其输出特性呈线性,40,5.3.2 双T二极管交流电桥 如图所示：S是高频电源，提供幅值为Ei的对称方波(正弦波也适用)；D

15、1、D2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 器没有位移输入时,C1=C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出。当C1或C2变化时，RL上产生的平均电流将不,41,42,再为零,因而有信号输出.其输出电压的平均值为 式中:f为电源频率.当RL已知时,上式中 为常数,则 该电路适用于各种电容式传感器。它的应用特点和要求：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将Dl、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生

16、电容影响；线路简单；(5)输出电压较高。当使用频率为13MHz、有效电压为46V的高频电源，传感器电容从-7-+7pF变化时，在1M的负载上可产生-5-+5V的直流输出；(6)输出阻抗与R1或R2同数量级，可从1100k,，与电容C1和C2无关；（7）输出信号,43,的上升前沿时间由RL决定，如RL=1k，则上升时间为20s，因此可用于动态测量；(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率；f=13MHz时，频响可达50kHZ。 例1 分析a图示差动电容传感器的测量线路。,44,45,46,533 脉冲调宽电路 差动脉冲宽度调制电路。图中C1和C2为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器A1和

17、A2，一个双稳态触发器FF和两个充放电回路 R1C1和R2C2(R1=R2)所组成；Uf为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。 当接通电源后，若触发器的输出A端为高电（1）B端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当C点电位UC升到与参考电压Ur相等时，比较器A1,47,产生一脉冲使触发器翻转，从而使A端为低电平（0），B端为高电平 (1)。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由B端经R2向C2充电；当D点电位UD与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1

18、、C2调制。 当C1=C2时，各点的电压波形如图420(a)所示，Q和Q两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图420(b)所示，Q、Q两端间的平均电压(经一低通滤波器)为,48,式中：T1和T2分别为Q端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。,49,脉冲宽度调制电路电压波形图,50,当该电路用于差动式变极距型电容传感器时有 用于差动式变面积型电容传感器时有 这种线路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于

19、与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。,51,5.3.4运算放大器电路,右图为其电原理图。 C1为传感器电容，它跨 接在高增益运算放大器 的输入端和输出端之间。 放大器的输入阻抗很高( )，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0，即 式中 Ui为信号源电压，C0为固定电容，要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器 上式可写为 可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。,52,5.3.5调频电路,电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入电容量发生变化后，使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经放大后显

20、示记录。,53,多谐振荡器调频电路,54,鉴频电路包括： 微分鉴频 窄脉冲鉴频 斜率鉴频 数字式频率计 单稳态触发器把方波信号变为窄脉冲，由低通滤波器变为电压输出。,55,5.4电容式传感器及其应用,随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：。(1)分辨力极高, 适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小， 可获得高的静态精度和好的动态特性（3）结构简单!不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；(4)过载能力强。下面介绍它的几种典型结构及其应用,56,541 电容式位移传感器,下图所示为单电极的电容式位移传感器。使用中把被测对象作

21、为一个电极。,57,542 电容式力和压力传感器,58,上图为一种典型的小型差动电容式压差动传感器结构。加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化。球面极片(图中被夸大)可以在压力过载时保护膜片，并改善性能。其灵敏度取决于初始间隙0,0越小，灵敏度越高。其动态响应主要取决于膜片的固有频率。,59,由上式可见，两种介质介电常数差别(1-2) 越大、极径D与d相差(即极距)愈小，传感器灵敏度就愈高. 上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板必须与被测介质绝缘。 电容式料位传感器，用来测量非导电固体散料的料位。由于固体摩擦力较大，容易“滞留”，故一般不用双层电极，而用电极棒与容器壁组成电容传感器两极。设D与d分别为容器的内径和电极棒外径；0、分别为空气和物料的介电常数，则电容变化与物位升降关系为 C=2(-1)H/ln(D/d) 除上述应用外，电容式传感器还可用于转速测量与金属零件计数等，这里不再赘述。,60,61,62,简要说明采用二极管T型网络测量电容传感器敏感元件信号的测量原理 简述采用差动脉宽电路测量电容传感器敏感元件信号的测量原理,个人观点供参考，欢迎讨论,