传感器第4版唐文彦第04章节电容式传感器

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1、第一节第二节第三节第四节电容传感器测量电路电容传感器分类电容传感器原理电容传感器应用学习要求感性认识第四章电容式传感器尚辅网http://shangfuwang.com/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尚辅网http://shangfuwang.com/指纹识别传感器指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器尚辅网http://shangfuwang.com/电容式指纹识别传感器指纹识别目前最常用的是电容式

2、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：尚辅网http://shangfuwang.com/电容式指纹识别传感器尚辅网http://shangfuwang.com/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尚辅网http://shangfuwang.com/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。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。尚辅网

3、http://shangfuwang.com/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。尚辅网http://shangfuwang.com/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尚辅网http://shangfuwang.com/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？尚辅网http

4、://shangfuwang.com/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(δ)的极距型传感器改变极板遮盖面积（A）的面积型传感器改变电介质介电常数（ε0）的介质型传感器尚辅网http://shangfuwang.com/4.2电容传感器分类电容传感器分类结构图如下尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器极距式电容传感器当传感器的εr和A为常数,初始极距为δ0时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为(4-2)+++尚辅网http

5、://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器若电容器极板间距离由初始值δ0缩小Δδ,电容量增大ΔC,则有(4-3)尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器由式（4-3）可知,传感器的输出特性C=f(δ)不是线性关系,而是双曲线关系此时C1与Δδ近似呈线性关系,所以变极距型电容式感器只有在Δδ/δ0很小时,才有近似的线性输出尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器另外,由式（4-3）可以看出,在δ0较小时,对于同样的Δ

6、δ变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但δ0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）作介质尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器此时电容C变为:(4-4)尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器式中:εg—云母的相对介电常数,εg=7ε0—空气的介电常数,ε0=1d0—空气隙厚度dg—云母片的厚度尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器

7、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（4-4）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。尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.1极距式电容传感器一般变极板间距离电容式传感器起始电容在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尚辅网http://shangfuwang.com/4.

8、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，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。尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.2变面积型电容式传感器+++尚辅网http://shangfuwang.com/4.2.2变面积型电容式传感器当覆盖面积对应的中心角