《电容式传感器》课件.ppt

《《电容式传感器》课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电容式传感器》课件.ppt（92页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构4.2 4.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路4.3 4.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.4 4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。被测量C U（I）应用：电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电

2、容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用硅微电容式加速度传感器硅微电容式加速度传感器测量管道液位高度测量管道液位高度电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换电容式传感器的典型应用电容传声器传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声电换能器件，现在广播娱乐方面使用的绝大多数是动圈式和电容式。驻极体电容传声器大膜片电容传声器电容式传感器的典型应用电容传声器以振膜与后极板间的电

3、容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器。指纹识别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。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。电容式传感器的典型应用IBM Thinkpad T42/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）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式传感器的应用4.1 工

4、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0 0真空介电常数；真空介电常数；电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数 A A极板极板相对覆盖面积相对覆盖面积；d d极板间距离；极板间距离；rr相对介电常数；相对介电常数；变极距变极距(d)型型变面积型变面积型(A)(A)型型变介电常数变介电常数()型型 4.1 工作原理和结构在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。根据这一性质，电容式传感器可以分为d,A,(r)变化C变化U(I)变化4

5、.1 工作原理和结构一、变极距型电容传感器当传感器的r和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小d,电容量增大C,则有(4-1)图4.1.1 电容量与极板距离的关系 由式(4-1)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图 4.1.1 所示曲线关系。4.1 工作原理和结构由式(4-1)得，电容相对变化量为4.1 工作原理和结构可见电容的相对变化与输入位移d之间的关系也是非线性的，当4.1 工作原理和结构此时近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时,才有近似的线性输出。灵敏度(单位位移引起的输出电容相对变化量)：考虑二

6、项式的相对非线性误差：4.1 工作原理和结构 由此可得：(1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。(4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容结构。(3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。(2)非线性随着相对位移d的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。g g=7=7云母的相对介电常数云母的相对介电常数1 1=1=1空气的相对介电常数空气的相对介电常数 d d1 1空气隙厚度空气隙厚度 d dg g云母片的厚度云母片的厚度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(如图 所示),此时电容C变为4

7、.1 工作原理和结构图4.1.2 放置云母片的电容器当d1减小了d时，电容将增大C，因此电容变为：4.1 工作原理和结构因为 ，可按泰勒级数展开并可略去高次项得故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为4.1 工作原理和结构 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为d/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为d/(d1+dg/g)，由于g=71故(d1+dg/g)C2,即d1=d0-d,d2=d0+d,则4.3 电容式传感器的测量电路 由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高

8、,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。同样,在变面积电容传感器中,则有4.3 电容式传感器的测量电路4.4 电容式传感器的应用一、电容式压力传感器 图4.4.1 差动式电容压力传感器结构图 二 电容式加速度传感器 图4.4.2 差动式电容加速度传感器结构图 4.4 电容式传感器的应用 当传感器壳体随被测对象沿垂垂直直方方向向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度（F=ma）

9、。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。4.4 电容式传感器的应用加速度传感器在汽车中的应用 假人气囊4.4 电容式传感器的应用三 差动式电容测厚传感器电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测。工作原理如下 在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起（极板间距）电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。4.4 电容式传感器的

10、应用差动式电容测厚传感器的测量原理框图如图4.4 电容式传感器的应用图 4.4.3 差动式电容测厚仪系统组成框图 电容式转速计4.4 电容式传感器的应用图中电容式转速传感器由固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。电容量的周期变化速率即为转速。电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换4.4 电容式传感器的应用电容传声器传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声电换能器件，现在广播娱乐方面使用的绝大多数是动圈式和电容式。驻

11、极体电容传声器大膜片电容传声器4.4 电容式传感器的应用电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器。指纹识别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。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。4.4 电容式传感器的应用IBM Thinkpad T42/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

12、容值随着脊（近的）和谷（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。4.4 电容式传感器的应用下图是变极距型差动平板式电容传感器结构及其接法示意图。-+2动极板+1定极板定极板差动平板式电容传感器结构图差动式电容结构 动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d,则根据（4-1）差动式电容结构 动极板位移之前，C1=C2=C0,d1=d2=d0有 在d/d01时,按级数展开得 动极板位移后，两个电容容量之差 差动式电容结构 电容值相对变化量为 如果只考虑上式中的线性项和三次项,则电容式传感器的灵敏度和相对非线性误差近似分别为可见，电容传感器做成差动式之后,灵敏度

13、提高一倍,而且非线性误差大大降低了。差动式电容结构被测量 （d，S，）C U(I,f)1掌握不同类型的电容传感器构成原理及其用途。平行板电容器电容量：柱式电容器电容量：本章要点：空气介质的变间隙式电容传感器：灵敏度：非线性误差：线位移变面积式电容传感器：2.电容传感器输出特性和测量电路 3.电容式传感器的应用角位移变面积式电容传感器：变介电常数式电容传感器：1.试述电容式传感器的工作原理与分类。每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？2.如何改善单极式变极距型电容式传感器的非线性？部分固体介质的变极距式电容传感器的设计目的？3.试计算图中所示各电容式传感元件的总电容。4.图(a)所示差动式同心

14、圆筒柱形电容传感器，其可动内电极圆筒外经d，固定电极外圆筒内经D=10mm，初始平衡时，上、下电容器电极覆盖长度L1=L2=L0=2mm，电极间为空气介质。试求：（1）初始状态时电容器C1、C2的值；（2）当将其接入图(b)所示差动变压器电桥电路，供桥电压E=10 V（交流），若传感器工作时可动电极筒向上移动x=，电桥输出电压的变化量为多少？5.如图所示正方形平板电容器,四个电容并联，极板长度a=4cm,极板间距离=2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度。极板间介质为空气。6、有一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=5mm，开始初始间隙，问（1）工作时，如果传感器与工

15、件的间隙缩小1m，电容变化量是多少？（2）若测量电路灵敏度S1=100mV/PF，读书仪表的灵敏度S2=5格/mV，上述情况下，仪表的指示值变化多少格？7 7、如图所示的一种变面积式差动电容传感器，选用二极管双T网络测量电路。差动电容器参数为：a=40mm，b=20mm，dl=d2=d0=1mm；起始时动极板处于中间位置，Cl=C2=C0，介质为空气，=0=8.8510-12F/m。测量电路参数：D1、D2为理想二极管；及R1=R2=R=10K；RL=1M，激励电压Ui=36V，变化频率f=1MHz。试求当动极板向右位移x=10mm时，电桥输出端电压Usc?1 下列不属于电容式传感器测量电路的

16、是（）A调频测量电路 B运算放大器电路C脉冲宽度调制电路 D相敏检波电路2 在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A仅电源电压的幅值和频率 B电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C仅T型网络电容C1和C2大小 D电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小3 如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）A.保持不变 B.增大一倍C.减小一倍 D.增大两倍4 差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。AC1-C2 B.C1-C2/C1+C2 C.C1+C2/C1-C2 D.C1/C1+C2/C25 当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A灵敏度K0增加 B灵敏度K0不变C非线性误差增加 D非线性误差减小6 用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。A变间隙式 B变面积式C变介电常数式 D空气介质变间隙式2、电容式传感器采用 作为传感元件，将不同的 变换转换为 的变化。3、移动电容式传感器的动极板，导致两极板有效覆盖面积A发生变化的同时，将导致电容量的变化，传感器电容该变量C与动极板角位移成 关系。4、根据工作原理的不用，电容式传感器可分为 、和 。其中 的输入被测量与输出被测量间的关系是线性的。1.变极距型电容式传感器主要用于微位移测量。