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1、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(diǎn)3.了解電容式傳感器的測(cè)量電路,1,第四章 電容式傳感器,指紋識(shí)別傳感器,指紋識(shí)別傳感器,圖為IBM ThinkpadT42/T43 的指紋識(shí)別傳感器,2,電容式指紋識(shí)別傳感器,指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。下圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖：,3,電容式指紋識(shí)別傳感器,4,電容式指紋識(shí)別傳感器,指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面,5,電容式指紋識(shí)別傳感器,當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，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

2、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。,6,電容式指紋識(shí)別傳感器,它的優(yōu)點(diǎn)： 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(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。,7,4.1 電容傳感器原理,電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或和被測(cè)物）就是一個(gè)可變電容器,8,4.1 電容傳感器原理,平行板電容器的電容為：,(4-1),上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？,9,4.2 電容傳感器分類,根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：改變極板間距離()的極距型傳感器改變極板遮蓋面積（ A ）的面積型傳感器

3、改變電介質(zhì)介電常數(shù)（0）的介質(zhì)型傳感器,10,4.2 電容傳感器分類,電容傳感器分類結(jié)構(gòu)圖如下,11,分類示意圖,+,+,4.2.1 極距式電容傳感器,極距式電容傳感器,當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù),初始極距為0時(shí),由式(4-1)可知其初始電容量C0為,(4-2),+,13,為真空介電常數(shù),為相對(duì)介電常數(shù),4.2.1 極距式電容傳感器,若電容器極板間距離由初始值0縮小, 電容量增大C, 則有,14,4.2.1 極距式電容傳感器,由前式可知, 傳感器的輸出特性C = f ()不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系此時(shí)C1與近似呈線性關(guān)系, 所以變極距型電容式傳感器只有在 / 0很小時(shí), 才有近似的線性輸出,15

4、,時(shí)，展開(kāi)為級(jí)數(shù)形式,因,，忽略高次項(xiàng),上式表明，在 條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。, 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙，但受電容器擊穿電壓的限制.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)； 非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。 為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。,動(dòng)極板上移 ，則C1增大，C2減小，初始電容用C0來(lái)表示，則 ：,差動(dòng)電容器輸出：,忽略高次項(xiàng)：,靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。,4.2.1 極距式電容傳感器,加入云母片時(shí)電容C變?yōu)?,式中: g云母的相對(duì)介電常數(shù),g= 7 0空氣的介電常數(shù), 0= 8.85x1

5、0 exp(-12) F/m 空氣隙厚度 云母片的厚度,19,4.2.1 極距式電容傳感器,云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍, 其擊穿電壓不小于1000kV/mm, 而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片, 極板間起始距離可大大減小。同時(shí), 式中的( /0g)項(xiàng)是恒定值, 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。,一般變極板間距離電容式傳感器起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣,20,4.2.2 變面積型電容式傳感器,改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移型和線位移型兩種。圖為典型的角位移型電

6、容式傳感器當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。,21,4.2.2 變面積型電容式傳感器,當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為a、極板半徑為r時(shí)，覆蓋面積為 s=ar2/2，電容量為 ：其靈敏度為：,22,4.2.2 變面積型電容式傳感器,線位移型電容式傳感器平面線位移型和圓柱線位移型兩種。,23,4.2.2 變面積型電容式傳感器,對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動(dòng)板沿箭頭x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化電容量為：,24,其靈敏度為 ：,4.2.2 變面積型電容式傳感器,對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量也隨之變化其電容為：,

7、（4-8）,式中 x外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)度； r1、r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑其靈敏度為：,25,線位移,角位移,單組式,差動(dòng)式,平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。,可見(jiàn)變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。 增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度； 極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大； X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。（因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。,4.2.3 變介電常數(shù)型電容傳感器,

8、28,（主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）,類型1：,被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心圓柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。,1液體介質(zhì)介電常數(shù)；0空氣中介電常數(shù)（F/m）； h電極板總長(zhǎng)度（m）； r內(nèi)電極板外徑（m）； R外電極板內(nèi)徑（m）； x液面高度（m）。 可見(jiàn)，輸出電容C與液面高度 x 成線性關(guān)系。,液面高度,0,1,類型2：,當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：,d 運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（m）,可見(jiàn)： 若厚度 d 保持不變，介電常數(shù)r 改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器； 若r不變，可做成測(cè)厚傳感器,4.3

9、電容式傳感器的常用測(cè)量電路,用于電容式傳感器的測(cè)量電路很多,常見(jiàn)的電路有:,運(yùn)算放大器測(cè)量電路雙T電橋電路,此外電容式傳感器的測(cè)量電路還有普通交流電橋電路、變壓器電橋電路和緊耦合電感臂電橋電路等,調(diào)頻電路脈沖調(diào)制電路,30,測(cè)量線路是電容傳感器的一個(gè)重要組成部分，其主要作用為： 給電極提供一個(gè)合適的激勵(lì)源，以便在形成的電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)能量變換； 檢測(cè)出電場(chǎng)能量的變化，形成可供實(shí)用的電信號(hào)； 在可能條件下，實(shí)現(xiàn)傳感器特性的線性化處理與信號(hào)變換。,4.3 電容式傳感器的常用測(cè)量電路,電容傳感器等效電路,圖中C為傳感器電容，RP為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗，Rs為高頻、高溫、高頻激勵(lì)工作

10、時(shí)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；CP為寄生電容，克服其影響是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一?？梢?jiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，特別在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需要考慮L的存在，會(huì)使傳感器有效電容改變，從而引起傳感器有效靈敏度的改變。在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。,一、交流電橋電路,將電容傳感器接入電橋的一個(gè)臂，不平衡電橋輸出：,為使橋路平衡，在四個(gè)橋臂上必須接入兩個(gè)電容（一個(gè)單極電容傳感器和一個(gè)固定電容，或接入差動(dòng)電容傳感器）。另外兩個(gè)橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感或是兩個(gè)電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時(shí)，電

11、路的靈敏度不同，一般有0.25、0.5、1，輸出信號(hào)相移有0、90、180。,電路的主要特點(diǎn)： 必須接成差動(dòng)形式使用； 電橋的交流激勵(lì)源的幅值和頻率要穩(wěn)定； 要求后續(xù)電路輸入阻抗無(wú)限大。,二、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路,差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定的方波發(fā)生器，以電容變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比，由此引起平均直流分量的變化。,VD2,U0平均值為零,U0平均值不為零,設(shè)R1=R2,與電容差值成正比,反相放大電路反饋元件是傳感器電容CxC是固定電容電源電壓u,理想運(yùn)放,將,代入,輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，從原理上保證了

12、變極距型電容傳感器的線性。,三、運(yùn)算放大器式電路,這種線路的最大特點(diǎn)是從原理上克服單個(gè)變間隙電容式傳感器的非線性，使輸出與輸入動(dòng)極板位移成線性關(guān)系。,電容傳感器的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn):,1、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金，近年來(lái)又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng)：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強(qiáng)輻射，強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境中工作。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：可動(dòng)部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。可測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,具有平均效應(yīng)：非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)工件的

13、偏心、振動(dòng)等參數(shù)時(shí)，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對(duì)測(cè)量的影響。5、耗能低,4.4影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施,缺點(diǎn):,1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差：電容值一般為幾十到幾百皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對(duì)絕緣部分的要求較高（幾十兆歐以上）。2、寄生電容影響大：由于電容傳感器的初始電容值一般較小，而連接傳感器的引線電纜電容（12m導(dǎo)線可達(dá)到800pF），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的“寄生電容”卻較大。這些電容一般是隨機(jī)變化的，將使儀器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此，在設(shè)計(jì)和制作時(shí)要采取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。,一、溫度對(duì)電容式傳感器的影響,環(huán)境溫度的改變

14、將引起電容式變換器各零件幾何尺寸的改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，產(chǎn)生附加電容變化。這一點(diǎn)對(duì)于變間隙電容式傳感器來(lái)說(shuō)更顯重要，因?yàn)槌跏奸g隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對(duì)本來(lái)就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對(duì)變化，從而引起很大的特性溫度誤差。,為減小這種誤差 一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來(lái)代替。 采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并在測(cè)量線路中對(duì)溫度誤差加以補(bǔ)償。,溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響 使傳感器電容改變，帶來(lái)溫度誤差。溫度對(duì)介電常數(shù)的影響

15、隨介質(zhì)不同而異。 這種溫度誤差可用后接的測(cè)量線路進(jìn)行一定的補(bǔ)償，而完全消除是困難的。,二、漏電阻的影響（絕緣性能）,電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵(lì)電壓頻率較低時(shí)，在與測(cè)量線路配接時(shí)，當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與容抗相近，就必須考慮分路作用對(duì)系統(tǒng)總靈敏度的影響。 這主要是采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)加以解決。,三、邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響,1、邊緣效應(yīng),理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。 當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。 為克服邊緣效應(yīng)，首先

16、應(yīng)增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間隙。 在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。,原理：等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場(chǎng)基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)的外周不影響工作。,2、寄生參量,一般電容傳感器電容值很小，如果激勵(lì)頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對(duì)傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會(huì)帶來(lái)很大的影響。,增加原始電容值注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）將傳感器與電子線路的前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)（集成化）,減小寄生電容的方法,在電容傳感器與測(cè)量線路前置極間采用雙層屏蔽電纜。這種接法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時(shí)放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。,采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù),采用運(yùn)算放大器法,所謂整體屏蔽是將整個(gè)電橋(包括電源、電纜等）統(tǒng)一屏蔽起來(lái)，其關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。,u0,與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容CP /（1+A）,整體屏蔽,四、防止和減小外界干擾,注意傳感器的接地和屏蔽 增加原始電容值，降低容抗 導(dǎo)線分