第3章電容式傳感器

1、第3章電容式傳感器,概述,第3章 電容式傳感器,,各種電容式傳感器示例,概述,第3章 電容式傳感器,,各種電容式傳感器示例,飛機油量檢測,炸彈延時起爆電容式加速度傳感器,概述,第3章 電容式傳感器,,各種電容式傳感器示例,硅微電容式傳感器,測量管道液位高度,概述,第3章 電容式傳感器,,電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一。電容又是常見的電參量之一，電容的大小很容易轉(zhuǎn)化成電壓或電流的信號。電容式傳感器：利用

2、電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置。,概述,與電阻式、電感式傳感器相比的優(yōu)點：,第3章 電容式傳感器,,1.測量范圍大：相對變化量可達100%。,2.靈敏度高：可達10-7。,3.動態(tài)響應(yīng)時間短：可動部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動態(tài)信號的測量。,4.機械損失?。弘姌O間引力小，無摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。,5.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強：金屬做電極，無機材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強輻射，適合于

3、惡劣環(huán)境工作。,概述,與電阻式、電感式傳感器相比的不足之處：,第3章 電容式傳感器,,1.寄生電容影響大：導(dǎo)線電容、泄露電容。降低了靈敏度，非線性輸出，甚至不穩(wěn)定。2.當(dāng)用變間隙原理進行測量時，具有非線性輸出特性。,由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。,應(yīng)用： 壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之

4、中。,電容式傳感器,3.1 電容式傳感器的工作原理3.2 電容式傳感器的測量電路3.3 電容式傳感器的誤差分析3.4 電容式傳感器的應(yīng)用示例,第3章 電容式傳感器,,3.1 工作原理,第3章 電容式傳感器,,兩個平行極板組成一個電容器，若忽略邊緣效應(yīng)，它的電容量C應(yīng)為：,ε ——極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；ε0 ——真空的介電常數(shù)，ε0 =8.854×10-12 F/m；εr ——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù).

5、 對于空氣介質(zhì)， εr ≈1。S ——極板間相互覆蓋面積（m2）；d ——極板間距離（m）；,3.1 工作原理,第3章 電容式傳感器,,電容式傳感器,,,變極板間距型,變面積型,變介電常數(shù)型,等式右邊的三個參數(shù)改變?nèi)魏我粋€都可以使電容值C發(fā)生變化。這就是電容傳感器的基本工作原理。,變面積型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,,,因此，,與角位移,呈線性關(guān)系。,（a）角位移式,變面積型電容傳感器,3.1 基本工作原理

6、,,當(dāng)其中一個極板發(fā)生x位移后，改變了兩極板間的重疊面積S ，電容量C同樣隨之變化。,b）直線位移式,,,因此，,與位移,呈線性關(guān)系。,b）直線位移式,變面積型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,b）直線位移式,靈敏度系數(shù),靈敏度系數(shù),變面積型電容傳感器不論是角位移式還是直線式，傳感器的電容值都與位移（轉(zhuǎn)角θ或直線位移x）呈線性關(guān)系。且靈敏度系數(shù)K與初始電容C0呈正比。,變面積型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,這類傳感器具有良好的線

7、性,大多用來檢測位移等參數(shù)。,初始電容C0為：,當(dāng)內(nèi)筒上移x時，內(nèi)外筒間的電容Cx為：,與x成線性關(guān)系。,播放動畫,C）圓筒形直線位移式,變介質(zhì)型傳感器,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位、介電常數(shù)、溫度、濕度等。,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,右圖相當(dāng)于兩個電容器的并聯(lián)，1、2為筒狀極板。上面的電容器以ε2為介質(zhì)，

8、下面的電容器以ε1為介質(zhì)。,圓筒形電容液位計原理：,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,其中,A 為常數(shù)，K為靈敏度系數(shù),電容C與液位h1之間呈線性關(guān)系.,例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr ＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L).,解：,變介質(zhì)型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,右圖

9、相當(dāng)于兩個電容串聯(lián)，這兩個電容只有面積S相同：,電容C與極板距離d或介電常數(shù)之間都不是線性關(guān)系。,當(dāng)d0 、d1不變時，可用來測量介質(zhì)的介電常數(shù)ε1；即介電常數(shù)測量儀。,當(dāng)ε0 、ε1不變時，可用來測量d1距離，即作為測厚儀。,變極板間距型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,播放動畫,變極板間距型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,當(dāng) 時，用泰勒級數(shù)展開,電容相對變化,,分子加減⊿d/d0,變極板間距型電容傳感器,3

10、.1 基本工作原理,,忽略高次項：,即當(dāng) (一般取0.02-0.1)時，電容的相對變化量ΔC與極板間距離變化量近似呈線性關(guān)系。,傳感器靈敏度,非線性誤差,d0越小，靈敏度系數(shù)K越高；而d0減小非線性誤差δ增大。變間距型電容傳感器非線性嚴(yán)重。,差動式電容傳感器,3.1 基本工作原理,,為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。,播放動畫,差動式電容傳感器,3.1 基本工作原理,,上下兩部分的初始電容：,上移

11、 后：,展開：,差動式電容傳感器,3.1 基本工作原理,,差動式電容傳感器的輸出為：,非線性誤差為：,略去高階無窮?。?結(jié)論： 差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍。 非線性誤差可以減小一個數(shù)量級。,一、電容傳感器的等效電路,3.2 測量電路,,Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻

12、的損耗。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。,3.2 電容式傳感器的測量電路,測量電路的作用是將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。,一、等效電路,3.2 測量電路,,電容式傳感器的等效電路,由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。 當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。,電容式傳感器的等效阻抗為：,一、等效電路,3.2 測量電路,,

13、在前頁式中，RS很小，RP很大,均可忽略。電路的等效容抗為：,電容的相對變化量為：,一、等效電路,3.2 測量電路,,電容的相對變化量為：,由上式可見，： 1、電感L的存在將使電容傳感器等效電容增大。 2、電容傳感器的等效電容與激勵電源的頻率有關(guān)，工作頻率越高等效電容越大。 所以電容傳感器實際使用時必須保持與標(biāo)定時的狀態(tài)完全一致。,二、測量電路,3.2 測量電路,,電容式傳感器的電容非常小（pF）級的，需要用專門的電路進行轉(zhuǎn)換

14、，成比例地將它變成電壓、電流或頻率信號供給或遠傳給后續(xù)裝置顯示、記錄及運算等。,(二)測量電路,二、測量電路,,(一)交流不平衡電橋,(二)變壓器電橋,(三)二級管環(huán)形檢波電路,(四)差動脈寬調(diào)制電路,(五)運算法測量電路,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,初始阻抗設(shè)計成：,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,令：,為傳感器阻抗相對變化量,為測量電橋的橋臂比；,為橋臂系數(shù)；,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,可以證明該值為：,

15、∴ 可認為β為實數(shù)。,橋臂比A、橋臂系數(shù)K以及交流激勵電源都是復(fù)數(shù)：,其中：,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,∴,其中：,分別是橋臂系數(shù)的模和相角：,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,1、α減小，k增大。2、 θ增大，k增大。3、 α=1, θ=0，k=0.254、 α=1, θ=90，k=0.5（最大）,橋臂系數(shù)K與橋臂比a、θ的關(guān)系:,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,3、可以看出 時，,此時，輸出

16、電壓USC與電源E同相位。,橋臂系數(shù)的相移γ與θ、a的關(guān)系:,1、α增大， γ增大 。2、 θ增大， γ增大。,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,第一對稱電橋：,可見：,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,第二對稱電橋：,可見：,得出兩點結(jié)論：1、只要橋臂比為1，K為實數(shù)。輸出與電源同相；2、第二對稱電橋比第一對稱電橋靈敏度高一倍！,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,雙臂差動電橋：,可見：,差動結(jié)構(gòu)：,差動結(jié)構(gòu),,,輸出

17、電壓提高1倍,(一)交流不平衡電橋,二、測量電路,,交流電橋的多種形式,(二)變壓器電橋,二、測量電路,,圖中C1、C2為差動電容傳感器的電容。變壓器次級的中點接地作為輸出電壓U0的零點。當(dāng)負載阻抗無窮大時，電橋的輸出電壓為：,變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。,(二)變壓器電橋,二、測量電路,,由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。,在要求精度很高的場合，可采用自動平

18、衡電橋；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。,電橋測量電路,(二)變壓器電橋,二、測量電路,,對于變間隙型差動電容傳感器：,由上式可見，變間隙型差動電容傳感器采用變壓器電橋測量電路時，輸出電壓U0與被測位移Δd之間呈良好的線型特性。,,(四)差動脈寬調(diào)制電路,二、測量電路,,利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬

19、度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。,C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。,差動脈沖調(diào)寬電路,,,,R2,,,,,,D1,D2,,,A,B,R1,C1,C2,USC,M,Ur,N,,,+,-,-,+,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Q,,Q,R,S,雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,A2,A1

20、,,P,(四)差動脈寬調(diào)制電路,二、測量電路,,C1、C2為差動式傳感器,A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。,如此循環(huán)反復(fù)，AB將輸出方波,,t,,,,,,uA,uB,uAB,UM,UN,Ur,Ur,U1,-U1,0,0,0,0,0,U1,U1,,T1,,,T2,t,t,t,t,,,,,,,,,,uA,uB,uAB,UM,UN,Ur,Ur,-U1,U1,T1,0,0,0,0,0,,,,T2,U1,U1,t,t,t,t,t,,,,

21、,當(dāng)C1=C2時,當(dāng)C1>C2時,差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖,(四)差動脈寬調(diào)制電路,二、測量電路,,當(dāng)C1=C2時,當(dāng)C1>C2時,UAP、UBP—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2 —分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,設(shè)R1＝R2＝R，則:,(四)差動脈寬調(diào)制電路,二、測量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。,(四)差動脈寬

22、調(diào)制電路,二、測量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,對于差動式變極距型電容傳感器：,(四)差動脈寬調(diào)制電路,二、測量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。,,(五)運算法測量電路,二、測量電路,,運算

23、放大器測量電路,Cx為傳感器，C0為固定電容。 當(dāng)運算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認為運算放大器輸入電流為零，根據(jù)克希霍夫定律，有：,,(五)運算法測量電路,二、測量電路,,運算放大器測量電路,如果傳感器是一只平行板電容，則：,上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。,(五)運算法測量電路,二、測量電路,,由于d的初始值不為零，因此USC的零點輸出也不為零，需調(diào)零

24、。,可調(diào)零的運算法電路,設(shè) ，則：,,3.3 電容式傳感器的誤差分析,第3章 電容式傳感器,,電容式傳感器的誤差分析,思考題：電容式傳感器測量誤差產(chǎn)生的主要原因及相應(yīng)的解決辦法。,,溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容電場的邊緣效應(yīng) 寄生與分布電容的影響,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,第3章 電容式傳感器,,電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移

25、、厚度、角度、振動等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,高壓側(cè)進氣口,低壓側(cè)進氣口,電子線路位置,,內(nèi)部不銹鋼膜片的位置,,,,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。,1—高壓側(cè)進氣口 2—低壓側(cè)進氣口 3—過濾片 4—空腔 5—柔

26、性不銹鋼波 紋隔離膜片(測量膜片) 6—導(dǎo)壓硅油 7— 凹形玻璃圓片 8—鍍金凹形電極 9—彈性平膜片(感壓膜片) 10—? 腔,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,主要討論球、平面型差動電容壓力傳感器。,,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,當(dāng)PH=PL時，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PH>PL時，中心膜片上凸

27、，上部電容為CL，下部電容為CH。CH 相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián)；而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。,,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,即：,需要解決的問題是：中心膜片處于平直狀態(tài)時，C0=C(d0)=?；當(dāng)PH>PL模片上凸dx時，CA=C(dx)=?。,,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,設(shè)膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實際

28、拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為dx，當(dāng)d0<<R時：,在PH-PL作用下,,其中k是一個與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0 :,輸出USC與差壓PH-PL成正比。,而,所以,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,各種電容式差壓變送器外形,1. 電容式差壓變送器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,2. 電容式測微儀,3.4

29、 電容式傳感器的應(yīng)用,,非接觸式精確測量位移和振動幅度。在最大量程為(100±5)um時，最小檢測量可達0.01um。,a)測振幅,b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺,假設(shè)采用運算法測量電路，,則輸出電壓和位移成線性關(guān)系。,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。依此原理還可進行其它形式的物位測量。對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運動

30、的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測量。,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,(1)安裝形式 電容式液位計的安裝形式因被測介質(zhì)性質(zhì)不同而有差別.右圖為用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。,1-內(nèi)電極；2-絕緣套,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,右

31、圖為用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。,1、2-內(nèi)、外電極； 3-絕緣套； 4-流通孔,安裝形式,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,以上介紹的兩種是最一般的安裝方法，在有些特殊場合還有其它特殊安裝形式，如大直徑容器或介電系數(shù)較小的介質(zhì)，為增大測量靈敏度，通常也只用一根電極，將其靠近容器壁安裝，使它與容器壁構(gòu)成電容器的兩極；

32、在測大型容器或非導(dǎo)電容器內(nèi)裝非導(dǎo)電介質(zhì)時，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；,在測極低溫度下的液態(tài)氣體時，一個電容靈敏度太低?？扇⊥S多層電極結(jié)構(gòu)，把奇數(shù)層和偶數(shù)層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極，變成相當(dāng)于多個電容并聯(lián)，以增加靈敏度。,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,電容式料位和液位傳感器,測定電極安裝在金屬儲罐的頂部，儲罐的罐壁和測定電極之間形成了一個電容器。,圖中電容隨料位高度hx變化的關(guān)系為：,式中

33、k——比例常數(shù)； D——儲罐的內(nèi)徑； d——測定電極的直徑； h——被測物料的高度； ε0——空氣的相對介電常數(shù)； ε1——被測物料的相對介電常數(shù)；,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,被測電容Cx可以配置一個環(huán)形二極管電路進行檢測。,用環(huán)形二極管充放電法測量電容的基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行

34、充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。,基本工作原理：,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,環(huán)形二極管電路,輸入方波加在電橋的A點和地之間。Cx為被測電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容；C為濾波電容；A為直流電流表。,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,環(huán)形二極管電路,當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。 對電容Cx充電的

35、電流i1所示的方向； 對Cd充電的電流如i3所示方向。 在充電過程中(T1這段時間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T1這段時間內(nèi)由A點向C點流動的電荷量為 ： q1=Cd(E2-E1),3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,環(huán)形二極管電路,當(dāng)輸入的方波由E2躍變到E1時，電容Cx和Cd放電；電壓皆由E2放電到E1。 對電容Cx放電的電流i2所示的方向； 對Cd放電的電流

36、如i4所示方向。 在放電過程中(T2這段時間)，VD1、 VD3一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T2這段時間內(nèi)由C點向A點流動的電荷量為 ： q2=Cx(E2-E1),3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,環(huán)形二極管電路,設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))， 則由C點流向A點的平均電流為I2=Cxf(E2-E1), 而從A點流向C點的平均電流為I3=Cdf(E2-E1), 流過此支路的瞬

37、時電流的平均值為,式中, ΔE為方波的幅值，ΔE=E2-E1。 令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx, 調(diào)節(jié)Cd=C0則,由上式可以看出，I正比于ΔCx。,3. 電容式液位計,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,環(huán)形二極管電路,ΔE=E2-E1；,f=1/T0，為方波的頻率；,在方波頻率和幅值一定的情況下，輸出電流的變化與液位成正比。,4. 濕度測量,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,濕敏電容一般用高分

38、子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。,HM1500濕度傳感器,當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。,5. 電容式鍵盤,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,常規(guī)的鍵盤有機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小

39、。,利用變極距型電容傳感器實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換.,6. 電容式傳聲器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,,駐極體電容傳聲器,大膜片電容傳聲器,傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。,(1) 半導(dǎo)體壓感式傳感器 　其

40、表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號,并進一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。,(2) 半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器 　　它通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。,(3) 硅電容指紋圖像傳感器 　　這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個電容傳感器,其外面是絕緣的表面。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳

41、感器的應(yīng)用,,傳感器陣列的每一點是一個金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容值不同,測量并記錄各點的電容值,就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達手指皮膚的活體

42、層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準(zhǔn)確率，有效防止辨識錯誤。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像,分辨率可高達600dpi,并且指紋采集時不需要象光學(xué)采集設(shè)備那樣,要求有較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧,功耗很低,可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中,這是光學(xué)采集設(shè)備所無法比擬的,現(xiàn)在許多指紋識別系統(tǒng)

43、研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來進行。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。 右上圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,西門子推出的“ID Mouse” 鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識別，使用者就可以啟動

44、PC的操作系統(tǒng)。如果長時間不動鼠標(biāo)，它將自動啟動屏幕保護程序，直到使用者再次觸摸ID 鼠標(biāo)為止。這個鼠標(biāo)在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至用戶的手有傷口它都能準(zhǔn)確的辨別出來。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,最早的指紋識別手機是98年西門子推出的SL10手機，其將“Fingertip”指紋辨認技術(shù)移植在SL10上作模擬試用。手機機身前面及后面都裝一跟SIM卡

45、大小相似的金屬指紋感應(yīng)器。,7. 電容式指紋傳感器,3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,例題3-6：C3>>C1、C2,R1很小。1、分析工作原理2、畫UAB波形，C1=C2;C1>C2;C1<C2;3、求UAB?,解：上升程：C1、D1、RL：I1 C2、D3、R1∵ ：C3>>C1,C2, q1=2Up*C1 I1=q1

46、/T=2f*Up*C1下降程：C2、D2、RL：I2 R1 、D4 、 C1∵：C3>>C1、C2, q2=2Up*C2 I2=q2/T=2f*Up*C2 ∴ UAB=RL(I1-I2) =2RLfUp(C1-C2),題3-16：C0>>C1、C2。1、分析工作原理2、求eAB 。3、畫 VA 、VB 、eAB波形，C1=C2;C1&

47、gt;C2;C1<C2,解：上升程：UP C0上 D1 C1 I1 UP C0下 D3 C2 I2∵ C0>>C1,C2, q1=2Up*C1 I1=q1/T=2f*Up*C1 q2=2Up*C2 I2=q2/T=2f*Up*C2下降程: C1

48、 D4 C0下 UP I1’ C2 D2 C0上 UP I2’ q1’=2Up*C1 I1’=q1’/T=2f*Up*C1 q2’=2Up*C2 I2’=q2’/T=2f*Up*C2 RL接在AB端，直流經(jīng)RL到地?！?UAB=RL(I’2-I1)=RL(I