4-1_电容式传感器.ppt

学习要求 概 述 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 电容式指纹识别传感器 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。 下图为指纹经过处 理后的成像图： 4.1 电容式传感器原理及类型 平行板电容器的电容为： 一、变极距型电容传感器 当传感器的ε和S为常数,初始极距为d 时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为 一、变极距型电容传感器 由式（4-2）可知, ΔC与Δd不是线性关系。但当△d＜＜d时，可以认为ΔC-Δd是线性的, 所以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。 一、变极距型电容传感器 另外, 由式（4 - 3）可以看出, 在d较小时, 对于同样的Δd变化所引起的ΔC增大C0 /d的倍数, 从而使传感器灵敏度提高。 但d 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 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。 二、变面积型电容式传感器 二、变面积型电容式传感器 线位移型电容式传感器 平面线位移型和圆柱线位移型两种。 二、变面积型电容式传感器 对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度h变化时，电容量也随之变化 其电容为： 二、变面积型电容式传感器 对于电容间覆盖面积由S变为S′时，则电容变化量 为： 三、 变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示 式中 δ、h 、ε0——两固定极板间的距离、极间高度及间隙中电介质的介电常数 δx、hx 、ε——被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数 a、b 、 l x——固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值） r1、r2——内、外极筒的工作半径 4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 变极距型(变间距型)电容传感器 * * 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 学习内容 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 图为IBM ThinkpadT42/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。 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。 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？ 4.1.1 工作原理 4.1.2 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(d)的变极距型传感器 改变极板遮盖面积（ S ）的变面积型传感器 改变介质介电常数（ε）的变介电常数型传感器 电容式传感器 变极距型 变面积型 变介电常数型 电容传感器分类结构图如下 极距式电容传感器 若电容器极板间距离由初始值d缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有 (4-2) 一、变极距型电容传感器 传感器灵敏度： (4-3) 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。 + + + 由上式可见，电容的变化量与面积的变化量成线性关系。 这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c) 还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。 若忽略边缘效应，图a 、图b 、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为： 图b中： 图c中： 图a中： 三、变介质型电容式传感器 ε：液体介质的介电常数 ε0:空气的介电常数； h :电极板的总长度； r1、r2：电极板的内、外径； 液面高度为0时，电容量为： 当液面高度不为0时，电容量为： 当传感器的ε和S为常数, 初始极距为d0时, 可知其初始电容量C0为 当 增量 时 电容C增量 Δd C0 d0 d C ΔC * *