【课件】传感器与检测技术 电容式传感器幻灯片.ppt

第4章 电容式传感器;电容式指纹识别传感器;电容式指纹识别传感器;电容式指纹识别传感器;电容式指纹识别传感器;电容式指纹识别传感器;第四章? 电容式传感器;第一节 工作原理与类型 一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S—极板相对覆盖面积； d—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 d、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 ;二、类型 三种基本类型： 变极距(变间隙)(d)型 变面积型(S)型 变介电常数(εr)型 表4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 位移：线位移和角位移两种。 极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 ;(1)变极距型电容传感器 ;延伸： 线性度分析;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: ;上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δd/d|很小 (小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极 距d的平方成反比，故可用减少d的办法来提高灵敏度。 例如在电容式压力传感器中，常取d＝0.1～0.2mm，C0在20～ 100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的 线位移，故在微位移检测中应用最广。 ;差动电容结构可提高灵敏度与线性度;差动结构分析;(2) 变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为;(3) 变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。 若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为： ;dx;若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被测位移的关系为： ;例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L);若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被测液位的关系为 ;第二节 转换电路 一、电容式传感器等效电路 L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感： r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容； Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容； Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。;所有这些参量的作用因工作的具体情况不同而不同。在低频时， 传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。其等效 电路可简化为图4-4 b，其中等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻Re≈Rg。 ;; 由上式可知：当电容传感器的供电电源频率较高(几百千赫至几兆赫)时，传感器灵敏度由kg增加到k； k与传感器的固有电感(包括电缆电感)有关； k 随w变化而变化。 因此，改变传感器供电电源频率(即转换电路工作频率)或更换传感器至转换电路的引线电缆后。必须对整个仪器重新标定。测量时应与标定时所处的条件相同，即电缆长度不能改变，传感器供电电源频率不能改变。 ;将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。;三、二极管双T形电路 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为U