第 电容式传感器.pptx

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1、电容式指纹识别传感器第1页/共52页电容式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第2页/共52页电容式指纹识别传感器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3页/共52页电容式指纹识别传感器它的优点：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4页/共52页4.1 电容传感器原理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 第

2、5页/共52页4.1 电容传感器原理平行板电容器的电容为：(4-1)上式中，哪几个参量是上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？类型的电容传感器？第6页/共52页4.2 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()的极距型传感器改变极板遮盖面积（A）的面积型传感器改变电介质介电常数（0）的介质型传感器第7页/共52页4.2 电容传感器分类电容传感器分类结构图如下第8页/共52页4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器当传感器的r和A为常数,初始极距为0时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为(4-2)+第9页/共5

3、2页4.2.1 极距式电容传感器若电容器极板间距离由初始值0缩小,电容量增大C,则有 (4-3)第10页/共52页4.2.1 极距式电容传感器由式（4-3）可知,传感器的输出特性C=f()不是线性关系,而是双曲线关系此时C1与近似呈线性关系,所以变极距型电容式感器只有在/0很小时,才有近似的线性输出第11页/共52页4.2.1 极距式电容传感器l另外,由式（4-3）可以看出,在0较小时,对于同样的变化所引起的C可以增大,从而使传感器灵敏度提高。l但0过小,容易引起电容器击穿或短路。l为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质第12页/共52页4.2.1 极距式电容传感器u此时电

4、容C变为:(4-4)第13页/共52页4.2.1 极距式电容传感器式中:g云母的相对介电常数,g=7 0空气的介电常数,0=1 d0空气隙厚度 dg云母片的厚度第14页/共52页4.2.1 极距式电容传感器云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/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,式（4-4）中的(dg/0g)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。第15页/共52页4.2.1 极距式电容传感器一般变极板间距离电容式传感器起始电容在 20100pF之间,极板间距离在25200m的范围内,最大位移应小于间距的1/10

5、,故在微位移测量中应用最广第16页/共52页4.2.2 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。第17页/共52页4.2.2 变面积型电容式传感器+第18页/共52页4.2.2 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。第19页/共52页4.2.3 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第20页/共52页4.2.3 变介电常数型电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)

6、、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。第21页/共52页4.3 电容式传感器的常用测量电路用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:运算放大器测量电路双T电桥电路此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等调频电路脉冲调制电路第22页/共52页4.3.1 调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路第24页/共52页第23页/共52页4.3.1 调频测量电路虽然可

7、将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来调频测量电路原理框图如图所示：第25页/共52页第24页/共52页4.3.1 调频测量电路图中调频振荡器的振荡频率为：（4-13）第26页/共52页第25页/共52页4.3.1 调频测量电路调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01m级位移变化量频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控第27页/共52页第26页/共52页4.3.2 运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数

8、K非常大,而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。第28页/共52页第27页/共52页4.4 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。变极距型的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。变面积型的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0.01较大的位移，0.001m。第29页/共52页第28页/共52页4.4 电容传感器应用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.

9、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050m、频率为102kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。下文介绍几种常用电容式传感器之应用。第30页/共52页第29页/共52页4.4 电容传感器应用一、电容式压力传感器二、电容式加速度传感器三、差动式电容测厚传感器四、电容式料位传感器五、湿度测量六、电容式键盘七、电容传声器第31页/共52页第30页/共52页 一、一、电容式压力传感器电容式压力传感器 图 4-14 所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动

10、电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。4.4 电容传感器应用第32页/共52页第31页/共52页第33页/共52页第32页/共52页 二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正

11、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。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。第34页/共52页第33页/共52页第35页/共52页第34页/共52页 三、三、差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 图示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,振荡器的其它参数为固定值,等效电路如图 4-16（b）所示,图中C0为耦合和寄生电容,振荡频率f为第36页/共52页第35页/共52页第37页/共52页

12、第36页/共52页式中:r极板间介质的相对介电常数;A极板面积;dx极板间距离;Cx待测电容器的电容量。所以第38页/共52页第37页/共52页 设两传感器极板间距离固定为d0,若在同一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2,则被测金属板材厚度=d0-(dx1+dx2)。由此可见,振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量,然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差,即可获得板材厚度。四、四、电容式料位传感器电容式料位传感器 图 4-17 是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容

13、器。第39页/共52页第38页/共52页第40页/共52页第39页/共52页 当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静电电容可由下式表示:式中:k比例常数;s被测物料的相对介电常数;0空气的相对介电常数;第41页/共52页第40页/共52页 D储罐的内径;d测定电极的直径;h被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0,放入物料后传感器静电电容为C1,则两者电容差为C=C1-C0 （4-47）由式（4-46）可见,两种介质常数差别越大

14、,极径D与d相差愈小,传感器灵敏度就愈高。第42页/共52页第41页/共52页第43页/共52页第42页/共52页电容层析成像系统的组成 第44页/共52页第43页/共52页五、湿度测量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。HM1500湿度传感器在工农业生产、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第45页/共52页第44页/共52页当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是：灵敏度高产品互换性好响应速度快湿度的滞后量小便于制造容易实

15、现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻要低一些第46页/共52页第45页/共52页六、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理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘工艺较机械结构复杂 第47页/共52页第46页/共52页七、电容式键盘此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换第48页/共52页第47页/共52页八、电容传声器传声器（Microphone）俗称话筒(麦克风)，是一种声电换能器件，可分电动和静电两类目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。第49页/共52页第48页/共52页九、电容传声器电容传声器原理第50页/共52页第49页/共52页十、电容传声器驻极体电容传声器大膜片电容传声器第51页/共52页第50页/共52页十一、电容传声器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但这种传声器制造工艺复杂价格高需外加60200V的极化电压源一般在专业领域使用较多退退 出出第52页/共52页第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页