電容式傳感器論文

1、電容式傳感器合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 電子信息工程13-3班聶建兆摘要：電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問(wèn)題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測(cè)量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測(cè)量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式1.1電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是一個(gè)具有可變參量的電容器，將被測(cè)非電量變化成為電容量。多數(shù)情況下，電容式傳感器是指以空氣為介質(zhì)的兩個(gè)平行金屬極板組成的可變電容器。由兩平行極板組成一個(gè)電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，則它的電容量可用下式表示S電容式傳感器結(jié)構(gòu)

2、 C= S/= 0r S/式中 S 極板相互遮蓋面積（m2）； 兩平行板間距離（m）； r 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0 真空的介電常數(shù)（8.85×1012F/m）。由式（7-1）可見，在r、S、三個(gè)參量中，只要保持其中兩個(gè)不變，改變其中的一個(gè)均可使電容量C改變，這就是電容式傳感器的工作原理。所以電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板面積的變面積型；改變極板間距離的變極距型；改變極板間介質(zhì)的變介質(zhì)型。2 電容式傳感器的分類2.1 固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器定極動(dòng)極l 固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器結(jié)構(gòu)：l 固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的靈敏度：l 固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的非線性誤差：

3、l 介電常數(shù)提高，可以提高靈敏度因子，這時(shí)靈敏度得到提高，但非線性誤差也增加了，為了減小非線性誤差，也可以采用差動(dòng)方式。2.2 變面積電容式傳感器l 變面積電容式傳感器結(jié)構(gòu)：l 變面積電容式傳感器的靈敏度：l 變面積電容式傳感器的非線性誤差：l 變面積電容式傳感器無(wú)非線性誤差，增加，減小可以提高靈敏度，不能太小，否則邊緣效應(yīng)明顯。2.3 變介電常數(shù)電容式傳感器l 變介電常數(shù)電容式傳感器結(jié)構(gòu)：3 電容式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路3.1運(yùn)算放大器式電路l 電路： 3.2 電橋電路l 電路振蕩檢波放大濾波電橋 3.3 調(diào)頻電路l 直放式調(diào)頻調(diào)頻振蕩限幅鑒頻放大l 外差式調(diào)頻調(diào)頻振蕩限幅鑒頻放大放大變頻放大

4、本振l 外差式調(diào)頻比直放式調(diào)頻性能優(yōu)越，其選擇性高、特性穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)。l 調(diào)頻方式具有抗干擾性強(qiáng)、特性穩(wěn)定、輸出電平高（伏特級(jí)）3.4 諧振電路l 電路放大整流振蕩l 特點(diǎn)：² 靈敏度高² 工作點(diǎn)難以確定² 工作范圍窄² 傳感器要離電路近。² 振蕩器要求穩(wěn)定性高。3.5二極管T型網(wǎng)絡(luò)方波電源傳感器電容平衡電容負(fù)載電阻l 電路l 當(dāng)時(shí)：充電，；放電，l 當(dāng)時(shí)：充電，；放電，l 放電和放電形成電流正和負(fù)，的平均值為兩者之差。l 平衡時(shí)： l 平衡時(shí)： l 特點(diǎn)：² 、有共同的地² 工作電平高，都工作于線性區(qū)² 輸出

5、電壓高² 輸出電流大，時(shí)，數(shù)量級(jí)² 上升時(shí)間小，時(shí)，數(shù)量級(jí)。適合高速測(cè)量。雙穩(wěn)觸發(fā)器-+-+ACBD3.6 脈沖寬度調(diào)制電路l 電路l 初值： l 加電時(shí)假設(shè)：， ，這時(shí)充電，不斷提高，不充電，不變。l 不斷提高的時(shí)，S觸發(fā)使， ，這時(shí)通過(guò)快速放電充電使，而開始充電，不斷提高。l 不斷提高的時(shí)，R置位使， ，這時(shí)通過(guò)快速放電充電使，而開始充電，不斷提高。l 輸出電壓脈沖寬度與和充電時(shí)間常數(shù)有關(guān)，從而使得輸出電壓的平均值與和的大小有關(guān)。設(shè)l 變極板距離電容時(shí)：對(duì)于差動(dòng)電容：， l 變面積電容時(shí)：對(duì)于差動(dòng)電容：， 4 影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施4.1 影響精度的

6、因素l 溫度對(duì)電容結(jié)構(gòu)尺寸的影響，將引起電容值的變化。l 溫度對(duì)電容的電介質(zhì)的影響，將引起電容值的變化。l 電容式傳感的電容很小，容抗大，電容漏電流有較大的分流作用，將引起電容式傳感靈敏度的下降。l 電容邊緣效應(yīng)和寄生參數(shù)將引起電容式傳感的非線性效應(yīng)，并且使靈敏度下降。4.2 提高精度的措施l 選用溫度系數(shù)小和穩(wěn)定的材料和電介質(zhì)，以消除溫度的影響。l 增加原始電容值，以減小寄生電容和漏電的影響。l 縮短傳感器到測(cè)量電路前置級(jí)的距離，以減小寄生電容和提高寄生電容的穩(wěn)定性。l 采用驅(qū)動(dòng)電纜法，以消除電纜電容效應(yīng)。A=1測(cè)量電路外屏蔽內(nèi)屏蔽等電位l 采用整體屏蔽法，以消除寄生參數(shù)效應(yīng)。整體屏蔽法就是

7、將整個(gè)傳感器橋體，包括電源和電纜，用一個(gè)統(tǒng)一屏蔽保護(hù)起來(lái)P104圖5-23。5 電容式傳感器的應(yīng)用5.1 壓差式電容壓力傳感器構(gòu)成：膜片動(dòng)極板，一般采用不銹鋼材料制作，需要加預(yù)張力。玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。球面的作用是壓力過(guò)大時(shí)（過(guò)載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)的非線性。后續(xù)測(cè)量電路常使用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路。由壓差式電容壓力傳感器工作過(guò)程可得：（C1-C2）/（C1+C2）=K（PH-PL）式中 C1 C2 電容（F）；K 常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)；PH 兩球室承受的低壓（Pa）；PL 兩球室承受的高壓（Pa）。5.2 電容測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀是用于測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度

8、的在線檢測(cè)儀器。在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各設(shè)置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，兩塊用導(dǎo)線連接作為傳感器的一個(gè)電極板。帶材本身則是電容傳感器的另一個(gè)電極板。當(dāng)帶材在軋制過(guò)程中的厚度發(fā)生變化時(shí)，引起電容的變化。通過(guò)測(cè)量電路與指示儀表可顯示帶材的厚度。220V· ·1KHz音頻信號(hào)發(fā)生器音頻放大器穩(wěn)壓電源整流差動(dòng)放大器電容式測(cè)厚儀原理框圖5.3電容傳聲器 駐極體電容傳聲器 大膜片電容傳聲器 傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動(dòng)圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過(guò)前置放大器變換為輸出電壓。5.4 電容式指紋傳感器 傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同,測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。6 應(yīng)用前景電容式傳感器具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)，是當(dāng)今傳感器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。其中在指紋傳感器上的應(yīng)用更是多種多樣，如：西門子推出的“ID Mouse”指紋鼠標(biāo)、98年西門子推出的SL10指紋手機(jī)、手形識(shí)別系統(tǒng)、面部識(shí)別系