電容式傳感器演示

（優(yōu)選）電容式傳感器當(dāng)前第1頁\共有61頁\編于星期五\6點學(xué)習(xí)要求1.掌握電容式傳感器工作原理

2.掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點3.了解電容式傳感器的測量電路當(dāng)前第2頁\共有61頁\編于星期五\6點指紋識別傳感器指紋識別傳感器圖為IBMThinkpadT42/T43

的指紋識別傳感器當(dāng)前第3頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式指紋識別傳感器指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。下圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：當(dāng)前第4頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式指紋識別傳感器當(dāng)前第5頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式指紋識別傳感器指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面當(dāng)前第6頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式指紋識別傳感器當(dāng)用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。當(dāng)前第7頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式指紋識別傳感器它的優(yōu)點：體積小成本低成像精度高耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。當(dāng)前第8頁\共有61頁\編于星期五\6點電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動等惡劣條件下工作，這是它獨特優(yōu)點。隨著集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使它揚(yáng)長避短，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器。｜當(dāng)前第9頁\共有61頁\編于星期五\6點5．１工作原理、結(jié)構(gòu)及特性由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時，其電容量與真空介電常數(shù)（）、極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)、極板的有效面積Ａ以及兩極板間的距離δ有關(guān)：

若被測量的變化使式中δ、Ａ、三個參量中任意一個發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化，當(dāng)前第10頁\共有61頁\編于星期五\6點再通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。當(dāng)前第11頁\共有61頁\編于星期五\6點變極距型電容傳感器圖5－１為這種傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的和Ａ為常數(shù)，初始極距為，可知其初始電容量為

當(dāng)動極端板因被測量變化而向上移動使減小Δ

時，電容量增大ΔＣ則有

當(dāng)前第12頁\共有61頁\編于星期五\6點圖5－１定極板動極板當(dāng)前第13頁\共有61頁\編于星期五\6點

可見，傳感器輸出特性Ｃ＝f(δ)是非線性的，電容相對變化量為

如果滿足條件＜＜１，可按級數(shù)展開成

略去高次（非線性）項，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度Ｓ分別為

當(dāng)前第14頁\共有61頁\編于星期五\6點

如果考慮式中的線性項及二次項，則

其相對非線性誤差為

當(dāng)前第15頁\共有61頁\編于星期五\6點由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在很小(小測量范圍)時，才有近似的線性輸出；(2)靈敏度S與初始極距的平方成反比，故可用減少的辦法來提高靈敏度。當(dāng)前第16頁\共有61頁\編于星期五\6點可見，的減小會導(dǎo)致非線性誤差增大；過小還可能引起電容器擊穿或短路.為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)。

差動結(jié)構(gòu)，動極板置于兩定極板之間。初始位置時，，兩邊初始電容相等。當(dāng)動極板向上有位移時，兩邊極距為；兩組電容一增一減。由同樣的分析方法得電容總得相對變化量為當(dāng)前第17頁\共有61頁\編于星期五\6點略去高次項，可得近似得線性關(guān)系

相對非線性誤差為上式與前幾式比較可知，差動式比單級式靈敏度提高一倍，且誤差大大減小。當(dāng)前第18頁\共有61頁\編于星期五\6點

變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)如圖所示。它與變極距型不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。設(shè)動極板相對定極板沿長度方向平移時，則電容為當(dāng)前第19頁\共有61頁\編于星期五\6點式中為初始電容。電容得相對變化量為輸出特性呈線性。因而其量程不受線性范圍限制，適合測量較大得直線位移和角位移。它的靈敏度為當(dāng)前第20頁\共有61頁\編于星期五\6點

變面積型電容傳感器與變極距型相比，其靈敏度較低。因此，在實際應(yīng)用中，也采用差動式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。角位移測量用的差動式典型結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中：A、B為同一平(柱)面而形狀和尺寸均相同且互相絕緣的定極板。動極板C平行于A、B，并在自身平(柱)面內(nèi)繞O點擺動。從而改變極板間覆蓋的有效面積，傳感器電容隨之改變。C的初始位置必須保證與A、B的初始電容值相同。當(dāng)前第21頁\共有61頁\編于星期五\6點

ABC當(dāng)前第22頁\共有61頁\編于星期五\6點變介質(zhì)型電容傳感器

這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。圖中兩平行極板固定不動，極距為，相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電云量C為兩個電容和的并聯(lián)結(jié)果。式中、為極板長度和寬度當(dāng)前第23頁\共有61頁\編于星期五\6點當(dāng)前第24頁\共有61頁\編于星期五\6點

為第二種電介質(zhì)進(jìn)人極間的長度。若電介質(zhì)1為空氣()，當(dāng)=0

時傳感器的初始電容；當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間后引起電容的相對變化為可見,電容的變化與電介質(zhì)2的移動量成線型關(guān)系。上述原理可用于非導(dǎo)電流散材物料的物位測量。如圖所示，將電容器極板插入被監(jiān)測的介質(zhì)中，隨著灌裝量的增加，極板覆蓋面增大?？蓽y出的電容量即反映灌裝高度L。當(dāng)前第25頁\共有61頁\編于星期五\6點5.2應(yīng)用中存在的問題及其改進(jìn)措施等效電路

上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時，其等效電路如圖所示。

當(dāng)前第26頁\共有61頁\編于星期五\6點圖中C為傳感器電容，為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗;為高頻、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感當(dāng)前第27頁\共有61頁\編于星期五\6點克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關(guān)鍵之一，下面專門討論?？梢?，在實際應(yīng)用中，特別在高頻激勵時，尤需考慮L的存在，會使傳感器有效電容變化，從而引起傳感器有效靈敏度的變化在這種情況下，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)前第28頁\共有61頁\編于星期五\6點邊緣效應(yīng)以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。實際上當(dāng)極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時，對極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計算函數(shù)的數(shù)值查閱相關(guān)傳感器手冊當(dāng)前第29頁\共有61頁\編于星期五\6點

邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。當(dāng)前第30頁\共有61頁\編于星期五\6點靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。查閱相關(guān)手冊得到各種電容傳感器靜電引力的計算公式。當(dāng)前第31頁\共有61頁\編于星期五\6點寄生電容電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小(pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關(guān)鍵。下面介紹幾種常用方法。當(dāng)前第32頁\共有61頁\編于星期五\6點1驅(qū)動電纜法它實際上是一種等電位屏蔽法。在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙屏蔽電纜，并接人增益為1的驅(qū)動放大器，(接線如圖示)。這種接線法使內(nèi)屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響；內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了電纜驅(qū)動放大器的負(fù)載。因此驅(qū)動放大器是一個輸人阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸人的相移為零。當(dāng)前第33頁\共有61頁\編于星期五\6點

2整體屏蔽法

以差動電容傳感器，配用電橋測量電路為例，U為電源電壓，K為不平衡電橋的指示放大器。所謂整體屏蔽是將整個電橋(包括電源、電纜等)統(tǒng)一屏蔽起來；其關(guān)鍵在于正確選取接地點。本例中接地點選在兩平衡電阻、橋臂中間，與整體屏蔽共地。這樣傳感器公用極板與屏蔽之間的寄生電容同測量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而可將歸算到放大器的輸入電容中當(dāng)前第34頁\共有61頁\編于星期五\6點

由于測量放大器的輸入阻抗應(yīng)具有極大的值，的并聯(lián)也是不希望的，但它只是影響靈敏度而已。另兩個寄生電容及是并在橋臂及上，這影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但并不妨礙電橋的正確工作。因此寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本上被消除。整體屏蔽法是一種較好的方法；但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。3采用組合式與集成技術(shù)一種方法是將測量電路的前置級或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；另一種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；更進(jìn)一步就是利用集成工藝，將傳感器與調(diào)理等電路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器?！ぎ?dāng)前第35頁\共有61頁\編于星期五\6點5．2．5溫度影響環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個方面：1溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容傳感器由于極間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差?，F(xiàn)以變極距型為例，設(shè)定極板厚度為，絕緣件厚度，動極板至絕緣底部的殼體長為，各零件材料的線膨脹系數(shù)分別為aa、ab、ag。當(dāng)溫度由t0

變化Δt后,極間隙將由δ0=a0-b0-g0變?yōu)棣膖由此一起的溫度誤差為當(dāng)前第36頁\共有61頁\編于星期五\6點由此可見，消除溫度誤差的條件為：或者滿足條件2溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)溫度系數(shù)可達(dá)0．07％/℃；若環(huán)境溫度變化±50℃，則將帶來7％的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。當(dāng)前第37頁\共有61頁\編于星期五\6點5.3測量電路電容式傳感器將被測非電量變換為電容變化后,必須采用測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。本節(jié)簡要討論電容式傳感器常用的幾種測量電路。當(dāng)前第38頁\共有61頁\編于星期五\6點變壓器電橋如圖所示，C1、C2：為傳感器的兩個差動電容。電橋的空載輸出電壓為對變極距型代入上式得

可見,對變極距型的變壓器電橋負(fù)載阻抗極大時,其輸出特性呈線性當(dāng)前第39頁\共有61頁\編于星期五\6點5.3.2雙T二極管交流電橋如圖所示：S是高頻電源，提供幅值為Ei的對稱方波(正弦波也適用)；D1、D2為特性完全相同的兩個二極管，R1=R2=R;C1、C2為傳感器的兩個差動電容。當(dāng)傳感器沒有位移輸入時,C1=C2，RL在一個周期內(nèi)流過的平均電流為零，無電壓輸出。當(dāng)C1或C2變化時，RL上產(chǎn)生的平均電流將不當(dāng)前第40頁\共有61頁\編于星期五\6點當(dāng)前第41頁\共有61頁\編于星期五\6點再為零,因而有信號輸出.其輸出電壓的平均值為式中:f為電源頻率.當(dāng)RL已知時,上式中為常數(shù),則該電路適用于各種電容式傳感器。它的應(yīng)用特點和要求：(1)電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時在一點接地；(2)二極管D1、D2工作于高電平下，因而非線性失真小；(3)其靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；(4)將Dl、D2、R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容影響；線路簡單；(5)輸出電壓較高。當(dāng)使用頻率為1．3MHz、有效電壓為46V的高頻電源，傳感器電容從-7---+7pF變化時，在1MΩ的負(fù)載上可產(chǎn)生-5---+5V的直流輸出；(6)輸出阻抗與R1或R2同數(shù)量級，可從1～100kΩ,，與電容C1和C2無關(guān)；（7）輸出信號當(dāng)前第42頁\共有61頁\編于星期五\6點

的上升前沿時間由RL決定，如RL=1kΩ，則上升時間為20υs，因此可用于動態(tài)測量；(8)傳感器的頻率響應(yīng)取決于振蕩器的頻率；f=1．3MHz時，頻響可達(dá)50kHZ。例1分析a圖示差動電容傳感器的測量線路。

當(dāng)前第43頁\共有61頁\編于星期五\6點當(dāng)前第44頁\共有61頁\編于星期五\6點當(dāng)前第45頁\共有61頁\編于星期五\6點5．3．3脈沖調(diào)寬電路差動脈沖寬度調(diào)制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個差動電容。線路由兩個電壓比較器A1和A2，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF和兩個充放電回路R1C1和R2C2(R1=R2)所組成；Uf為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器的輸出A端為高電（1）B端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過R1對C1充電；當(dāng)C點電位UC升到與參考電壓Ur相等時，比較器A1當(dāng)前第46頁\共有61頁\編于星期五\6點產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使A端為低電平（0），B端為高電平(1)。此時，由電容C1通過二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由B端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)D點電位UD與參考電壓Ur相等時，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程?？梢钥闯?，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時，各點的電壓波形如圖4—20(a)所示，Q和Q兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1>C2時，各點的電壓波形如圖4—20(b)所示，Q、Q兩端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為當(dāng)前第47頁\共有61頁\編于星期五\6點式中：T1和T2分別為Q端和端輸出方波脈沖的寬度，亦即C1和C2的充電時間。當(dāng)前第48頁\共有61頁\編于星期五\6點脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形圖當(dāng)前第49頁\共有61頁\編于星期五\6點當(dāng)該電路用于差動式變極距型電容傳感器時有用于差動式變面積型電容傳感器時有這種線路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形和相移失真；輸出信號只需要通過低通濾波器引出；直流信號的極性取決于C1和C2；對變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。當(dāng)前第50頁\共有61頁\編于星期五\6點運(yùn)算放大器電路右圖為其電原理圖。

C1為傳感器電容，它跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸入阻抗很高()，因此可視作理想運(yùn)算放大器。其輸出端輸出一與C1成反比的電壓U0，即式中Ui為信號源電壓，C0為固定電容，要求它們都很穩(wěn)定。對變極距型電容傳感器上式可寫為可見配用運(yùn)算放大器測量電路的最大特點是克服了變極距型電容傳感器的非線性。當(dāng)前第51頁\共有61頁\編于星期五\6點調(diào)頻電路電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入電容量發(fā)生變化后，使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，頻率的變化在鑒頻器中變換為振幅的變化，經(jīng)放大后顯示記錄。當(dāng)前第52頁\共有61頁\編于星期五\6點多諧振蕩器調(diào)頻電路uo∞-++NCR310k5k10kR1RRPR4VS15k30k10kR2+FUr-FUruuouc+Ur-UrOtT2T1T0當(dāng)前第53頁\共有61頁\編于星期五\6點鑒頻電路包括：微分鑒頻窄脈沖鑒頻斜率鑒頻數(shù)字式頻率計單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器把方波信號變?yōu)檎}沖，由低通濾波器變?yōu)殡妷狠敵?。?dāng)前第54頁\共有61頁\編于星期五\6點5.4電容式傳感器及其應(yīng)用隨著電容式傳感器應(yīng)用問題的完善解決，它的應(yīng)用優(yōu)點十分明顯：。(1)分辨力極高,適合微信息檢測；(2)動極質(zhì)量小，可無接