[工学]电容式传感器

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时间:2019-05-08

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1、第四章电容式传感器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。我们先来看几个例子,来体会一下将非电量转化为电容值的变化。实例:指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的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。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。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。指纹识别目前最常

2、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: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。4.1电容式传感器的工作原理和结构4.2电容式传感器的灵敏度及非线性4.3电容式传感器的特点及设计要点4.4电容式传感器的测量电路4.4电容式传感器的应用4.1电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间

3、介质相对介电常数;S——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式中的S、d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,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。一、变极距型电容传感器当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而

4、是双曲线关系。此时ΔC与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。另外,在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易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,此时电容C变为式中:εg——云母的相对介电常数,εg=7;ε0——空气的介电常数,ε0=1;d0——空气隙厚度;dg—云母片的厚度。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3k

5、V/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,上式中的(dg/ε0εg)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的起始电容在20-100pF之间,极板间距离在25-200μm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。二、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,常用的有线位移型和角位移型两种。线位移型电容式传感器主要分为:平面线位移型和圆柱线位移型两种。图示为平面线位移型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

6、向移动时,覆盖面积变化,电容量也随之变化电容量为:C=(ε0εbx)/δ其灵敏度为:图示为圆柱线位移型电容式传感器,当覆盖长度x变化时,电容量也随之变化,其电容为: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: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。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:三、变介质型电容式传感器1.图示为一种变极

7、板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。式中:ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C0=由式可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为圆筒电容器电容计算:可看作若干不同半径的圆筒电容器串联。其中半径为r的电容器电容:C=02rl/dr总电容:2.变介质型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

8、体介质的湿度。图示为一种常用的测量长度或位移的结构。图中两平行电极固定不动,极距为d0,相对介电常数为εr2的电介质以不同厚度插入电容器中,从而改变两种介质的厚度。传感器总电容量C为式中:L0,b0——极板长度和宽度;L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容C0=ε0εr1L0b0/d0。当介质εr2进

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