第四章-电容式传感器.pptVIP

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。 我们先来看几个例子，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 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。 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： 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，常用的有线位移型和角位移型两种。 对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化 电容量为：C =(ε0εbx)/ δ 其灵敏度为 ： 图示为圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为： 当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为 s=ar2/2，电容量为 ： 其灵敏度为： 电容传感器类型总结 例题 单组式变面积型平板形线位移电容传感器，两极板相互覆盖的宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求电容变化量？（已知空气的相对介电常数是1，真空的介电常数是8.854×10-12F/M） 作业 课后题4.5 ４.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 4.3 电容式传感器的测量电路 高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路 作业 4.7 下图为单极变极距型平板电容传感器的一种测量电路，其中CX为传感器电容，C为固定电容，假设放大器为理想运放，根据其特点证明下面的表达式成立： 其中 A为电容Cx极板相对面积， d为极距 4.4电容传感器的设计要点 4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 电极： 电极的支架： 电介质： 结构： 电源频率： 4.4.2消除和减小边缘效应 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，因此应尽量消除或减小它。 适当减小极间距，使极径与间距比很大。 结构上增设等位环。 边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但这是牺牲了灵敏度来改善传感器的非线性。 4.4.3消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。 消除和减小寄生电容可采用如下方法： 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。 将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 采用“驱动电缆技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。 采用运算放大器法 整体屏蔽法 4.4.4防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。 4.5 电容传感器应用 电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。 变极距型 适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m 、分辨率可达0.001m。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01m 。 电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1″至几十度，分辨率约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。 电容式测振幅传感器 可测峰值为0?50m、频率为10 ? 2kHz，灵敏度高于0.01m ，非线性误差小于0.05m。 四、电容式湿度传感器 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。 五、其他应用 1. 电容式键盘 常规的键盘有