《电容式传感器》课件

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1、4.1电容式传感器的工作原理和结构4.2电容式传感器的等效电路4.3电容式传感器的测量电路4.4电容式传感器的应用第4章电容式传感器电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。概述被测量⇒C⇒U（I）应用：电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式加速度传感器测量管道液位高度电容式键盘常规的键

2、盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器的典型应用电容传声器传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声－电换能器件，现在广播娱乐方面使用的绝大多数是动圈式和电容式。驻极体电容传声器大膜片电容传声器电容式传感器的典型应用电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器。指纹识别指纹识

3、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。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。电容式传感器的典型应用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）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式传感器的应用4.1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

4、平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为ε0——真空介电常数；ε——电容极板间介质的介电常数A——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；边缘效应1、增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距，但易产生击穿并限制测量范围边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸

5、涂一薄层金属作为极板。带有保护环的电容传感器原理图2、采用带有保护环（等位环）的结构变极距(d)型变面积型(A)型变介电常数(ε)型4.1工作原理和结构在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。根据这一性质，电容式传感器可以分为d,A,(r)变化C变化U(I)变化4.1工作原理和结构一、变极距型电容传感器当传感器的εr和A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

6、增大ΔC,则有(4-1)图4.1.1电容量与极板距离的关系由式(4-1)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图4.1.1所示曲线关系。4.1工作原理和结构由式(4-1)得，电容相对变化量为4.1工作原理和结构可见电容的相对变化与输入位移Δd之间的关系也是非线性的，当4.1工作原理和结构此时近似呈线性关系,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。灵敏度(单位位移引起的输出电容相对变化量)：考虑二项式的相对非线性误差：4.1工作原理和结构由此可得：(1)要提高灵敏度，可用减少初始极

7、距d0的办法。(4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容结构。(3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。(2)非线性随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。εg=7—云母的相对介电常数ε1=1—空气的相对介电常数d1—空气隙厚度dg—云母片的厚度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(如图4.1.2所示),此时电容C变为4.1工作原理和结构图4.1.2放置云母片的电容器当d1减小了Δd时，电容将增大ΔC，因此

8、电容变为：4.1工作原理和结构因为，可按泰勒级数展开并可略去高次项得故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为4.1工作原理和结构云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为Δd/(d1+dg/εg)，由