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电容式传感器第1页/共80页第2页/共80页实例：指纹识别传感器图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器第3页/共80页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。第4页/共80页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：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。第5页/共80页４.1 电容式传感器的工作原理和结构４.2 电容式传感器的灵敏度及非线性４.3 电容式传感器的特点及设计要点 4 .4 电容式传感器的测量电路 4 .4 电容式传感器的应用 第6页/共80页 ４.1 电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空介电常数, εr为极板间介质相对介电常数; S——两平行板所覆盖的面积;  d——两平行板之间的距离。 第7页/共80页 当被测参数变化使得式中的S、d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 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。  一、 变极距型电容传感器当传感器的εr和S为常数, 初始极距为d0时, 可知其初始电容量C0为第8页/共80页 若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有 可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。 此时ΔC与Δd近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时, 才有近似的线性输出。  第9页/共80页第10页/共80页 另外, 在d0较小时, 对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。但d0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, 此时电容C变为 式中: εg——云母的相对介电常数, εg= 7;  ε0——空气的介电常数, ε0= 1; d0——空气隙厚度;  dg—云母片的厚度。 第11页/共80页 云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000 kV/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, 上式中的(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。  一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 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。 第12页/共80页二、 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。 线位移型电容式传感器主要分为： 平面线位移型和圆柱线位移型两种。 图示为平面线位移型第13页/共80页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 ：第14页/共80页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：x——外圆筒与内圆筒覆盖部分长度；r1、r2——外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径其灵敏度为：第15页/共80页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。第16页/共80页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：第17页/共80页第18页/共80页 三、 变介质型电容式传感器1.图示为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。 第19页/共80页圆筒电容器电容计算：可看作若干不同半径的圆筒电容器串联。其中半径为r的电容器电容：C=?02?rl/dr总电容：设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为 式中：ε——空气介电常数;  C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C0= 由式