电容式传感器.ppt

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1、第五章电容式传感器学习要求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指纹识别传感器图为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器电容式指纹识别传感器l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。l下图为指纹经过处理后的成像图：电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器l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电容式指纹识别传感器l当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物

2、/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。电容式指纹识别传感器Ø它的优点：ü体积小ü成本低ü成像精度高ü耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。l电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。｜5．１工作原理、结构及特性由绝缘介质分开的两个平行金

3、属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数（12Fm）1、极板间介质的相对介电常08.85410数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离δ有关：rA0rC若被测量的变化使式中δ、Ａ、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的r变化，l再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。5.1.1变极距型电容传感器l图5－１为这种传感器的原理图。当传感器的和Ａ为r常数，初始极距为，可知其初始电容量为C00

4、A0rC0l0l当动极端板因被测量变化而向上移动使0减小Δ0时，电容量增大ΔＣ则有A10rCCC00(1/)000图5－１定极板0动极板l可见，传感器输出特性Ｃ＝f(δ)是非线性的，电容相对变化量为C1(1)C00如果满足条件(/)＜＜１，可按级数展开成0C21()()C00000l略去高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度Ｓ分别为CCCA00rCS20

5、000如果考虑式中的线性项及二次项，则C(1)C000其相对非线性误差为2(/)0e100%(/)100%f0/0l由上讨论可知：l(1)变极距型电容传感器只有在/很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；l(2)灵敏度S与初始极距的平方成反比，故可用减少的办法来提高灵敏度。0l可见，0的减小会导致非线性误差增大；过小还可能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。ll差动结构，动极板置于两定极板

6、之间。初始位置时，1＝2＝0，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为；两组电容一增一减。由同样的分析方法得电容总得相对变化量为＝－，＝＋102024CCC1221C0C0000l略去高次项，可得近似得线性关系C2C00l相对非线性误差e为f32/02e100%/100%f02/0l上式与前几式比较可知，差动式比单级式灵敏度

7、提高一倍，且误差大大减小。5.1.2变面积型电容传感器l原理结构如图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板l有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度方向l平移时，0l则电容为llb0r00CCC00l式中C00rl0b0/0为初始电容。电容得相对变化量为ClCl00l输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大得直线位移和角位移。它的灵敏度为Cb0r0SL0变面积型电容传感器与变极距型相比，

8、其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。22Rralra0r0rCACCBCCC00AC0BC00RrABC5.1.3变介质型电容传感器l这种电容传感器有较多的结构型