第04章 电容式传感器课件

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1、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,1,第四章 电容式传感器,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,2,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：,3,电容式指纹识别传感器,4,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,5,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器阵列。

2、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。,6,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。,7,4.1 电容传感器原理,电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。 实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器,8,4.1 电容传感器原理,平行板电容器的电容为：,(4-1),上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,9,4.2 电容传感器分类,根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种： 改变极板间距离()的极距型传感器 改变极板遮盖面积（ A

3、 ）的面积型传感器 改变电介质介电常数（0）的介质型传感器,10,4.2 电容传感器分类,电容传感器分类结构图如下,11,分类示意图,+ + +,+ + +,4.2.1 极距式电容传感器,极距式电容传感器,当传感器的r和A为常数,初始极距为0时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为,(4-2),+ + +,13,为真空介电常数,为相对介电常数,4.2.1 极距式电容传感器,若电容器极板间距离由初始值0缩小, 电容量增大C, 则有,14,4.2.1 极距式电容传感器,由前式可知, 传感器的输出特性C = f ()不是线性关系,而是双曲线关系 此时C1与近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只

4、有在 / 0很小时, 才有近似的线性输出,15,时，展开为级数形式,因,，忽略高次项,上式表明，在 条件下，电容的变化与极板 间距变化量近似是线性关系。, 欲提高灵敏度，应减小间隙，但受电容器击穿电压的限制.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； 非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。 为改善非线性，可以采用差动式。,动极板上移 ，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则 ：,差动电容器输出：,忽略高次项：,灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,4.2.1 极距式电容传感器,加入云母片时电容C变为:,式中: g云母的相对介电常数,

5、g= 7 0空气的介电常数, 0= 8.85x10 exp(-12) F/m 空气隙厚度 云母片的厚度,19,4.2.1 极距式电容传感器,云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。 同时, 式中的( /0g)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。,一般变极板间距离电容式传感器 起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广,20,4.2.2 变面积型电容式传感器,改变极板间覆盖面积的电容式传感器，

6、常用的有角位移型和线位移型两种。 图为典型的角位移型电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。,21,4.2.2 变面积型电容式传感器,当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为 s=ar2/2，电容量为 ： 其灵敏度为：,22,4.2.2 变面积型电容式传感器,线位移型电容式传感器 平面线位移型和圆柱线位移型两种。,23,4.2.2 变面积型电容式传感器,对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化 电容量为：,24,其灵敏度为 ：,4.2.2 变面积型电容式传感器,对于圆柱线位移型

7、电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化 其电容为：,（4-8）,式中 x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度； r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径 其灵敏度为：,25,线位移,角位移,单组式,差动式,平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。,可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。 增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度； 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大； X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。 （因为以上的推导是在

8、忽略边缘效应的情况下进行的）。,4.2.3 变介电常数型电容传感器,28,（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）,类型1：,被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心圆柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。,1液体介质介电常数； 0空气中介电常数（F/m）； h电极板总长度（m）； r内电极板外径（m）； R外电极板内径（m）； x液面高度（m）。 可见，输出电容C与液面高度 x 成线性关系。,液面高度,0,1,类型2：,当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：,d 运动介质的厚度（m）,可见： 若厚度 d 保持不变，介电常数r 改变（

9、如湿度变化），可做成湿度传感器； 若r不变，可做成测厚传感器,4.3 电容式传感器的常用测量电路,用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:,运算放大器测量电路 双T电桥电路,此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路、变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等,调频电路 脉冲调制电路,30,测量线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为： 给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换； 检测出电场能量的变化，形成可供实用的电信号； 在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。,4.3 电容式传感器的常用测量电路,电容传感器等效电路,图中C为传感器电容，RP为低

10、频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗，Rs为高频、高温、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；CP为寄生电容，克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。可见在实际应用中，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器有效灵敏度的改变。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。,一、交流电桥电路,将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：,为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗

11、元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、1，输出信号相移有0、90、180。,电路的主要特点： 必须接成差动形式使用； 电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定； 要求后续电路输入阻抗无限大。,二、差动脉冲宽度调制电路,差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分量的变化。,VD2,U0平均值为零,U0平均值不为零,设R1=R2,与电容差值成正比,反相放大电路 反馈元件是传感器电容Cx C是固定电容

12、电源电压u,理想运放,将,代入,输出电压与电容极板间距成线性关系，从原理上保证了变极距型电容传感器的线性。,三、运算放大器式电路,这种线路的最大特点是从原理上克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使输出与输入动极板位移成线性关系。,电容传感器的特点,优点:,1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。 2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，强磁场等恶劣环境中工作。 3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好

13、。可测量振动、瞬时压力等。 4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。 5、耗能低,4.4影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施,缺点:,1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。 2、寄生电容影响大：由于电容传感器的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（12m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作

14、时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。,一、温度对电容式传感器的影响,环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于变间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。,为减小这种误差 一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。 采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以

15、补偿。,温度变化对介质介电常数的影响 使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异。 这种温度误差可用后接的测量线路进行一定的补偿，而完全消除是困难的。,二、漏电阻的影响（绝缘性能）,电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响。 这主要是采用高质量的绝缘材料及采用合理的结构加以解决。,三、边缘效应与寄生参量的影响,1、边缘效应,理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。 当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影

16、响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。 为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。 在结构上增设等位环来消除边缘效应。,原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。,2、寄生参量,一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响。,增加原始电容值 注意传感器的接地和屏蔽（右图） 将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内（集成化）,减小寄生电容的方法,在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。,采用“驱动电缆”技术,采用运算放大器法,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