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(jī)油量檢測(cè),炸彈延時(shí)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(cè)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(wú)源元件(電阻、電感和電容)之一。電容又是常見(jiàn)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(hào)。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(jìn)而實(shí)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(diǎn)：,第3章 電容式傳感器,,1.測(cè)量范圍大：相對(duì)變化量可達(dá)100%。,2.靈敏度高：可達(dá)10-7。,3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短：可動(dòng)部件質(zhì)量小，固有頻率高，適合于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。,4.機(jī)械損失小：電極間引力小，無(wú)摩擦，熱效應(yīng)小，因此，精度高。,5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)：金屬做電極，無(wú)機(jī)材料絕緣支撐，能承受大的溫度變化和強(qiáng)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(jìn)行測(cè)量時(shí)，具有非線性輸出特性。,由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)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(diǎn)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(cè)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(cè)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(gè)平行極板組成一個(gè)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(duì)介電常數(shù).

5、 對(duì)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(gè)參數(shù)改變?nèi)魏我粋€(gè)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(gè)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(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。,初始電容C0為：,當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容Cx為：,與x成線性關(guān)系。,播放動(dòng)畫(huà),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(lái)測(cè)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(gè)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(jì)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(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr ＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)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(gè)電容串聯(lián)，這兩個(gè)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(shí)，可用來(lái)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)ε1；即介電常數(shù)測(cè)量?jī)x。,當(dāng)ε0 、ε1不變時(shí)，可用來(lái)測(cè)量d1距離，即作為測(cè)厚儀。,變極板間距型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,播放動(dòng)畫(huà),變極板間距型電容傳感器,3.1 基本工作原理,,當(dāng) 時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),電容相對(duì)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(xiàng)：,即當(dāng) (一般取0.02-0.1)時(shí)，電容的相對(duì)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。,播放動(dòng)畫(huà),差動(dòng)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(kāi)：,差動(dòng)式電容傳感器,3.1 基本工作原理,,差動(dòng)式電容傳感器的輸出為：,非線性誤差為：,略去高階無(wú)窮?。?結(jié)論： 差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍。 非線性誤差可以減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。,一、電容傳感器的等效電路,3.2 測(cè)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(shí)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(cè)量電路,測(cè)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(cè)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(gè)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(shí)，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(cè)量電路,,

13、在前頁(yè)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(duì)變化量為：,一、等效電路,3.2 測(cè)量電路,,電容的相對(duì)變化量為：,由上式可見(jiàn)，： 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(lì)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(shí)際使用時(shí)必須保持與標(biāo)定時(shí)的狀態(tài)完全一致。,二、測(cè)量電路,3.2 測(cè)量電路,,電容式傳感器的電容非常?。╬F）級(jí)的，需要用專門(mén)的電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換

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

15、∴ 可認(rèn)為β為實(shí)數(shù)。,橋臂比A、橋臂系數(shù)K以及交流激勵(lì)電源都是復(fù)數(shù)：,其中：,(一)交流不平衡電橋,二、測(cè)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(cè)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(cè)量電路,,3、可以看出 時(shí)，,此時(shí)，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(cè)量電路,,第一對(duì)稱電橋：,可見(jiàn)：,(一)交流不平衡電橋,二、測(cè)量電路,,第二對(duì)稱電橋：,可見(jiàn)：,得出兩點(diǎn)結(jié)論：1、只要橋臂比為1，K為實(shí)數(shù)。輸出與電源同相；2、第二對(duì)稱電橋比第一對(duì)稱電橋靈敏度高一倍！,(一)交流不平衡電橋,二、測(cè)量電路,,雙臂差動(dòng)電橋：,可見(jiàn)：,差動(dòng)結(jié)構(gòu)：,差動(dòng)結(jié)構(gòu),,,輸出

17、電壓提高1倍,(一)交流不平衡電橋,二、測(cè)量電路,,交流電橋的多種形式,(二)變壓器電橋,二、測(cè)量電路,,圖中C1、C2為差動(dòng)電容傳感器的電容。變壓器次級(jí)的中點(diǎn)接地作為輸出電壓U0的零點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載阻抗無(wú)窮大時(shí)，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(cè)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(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。,在要求精度很高的場(chǎng)合，可采用自動(dòng)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(hào)放大后才能測(cè)量。,電橋測(cè)量電路,(二)變壓器電橋,二、測(cè)量電路,,對(duì)于變間隙型差動(dòng)電容傳感器：,由上式可見(jiàn)，變間隙型差動(dòng)電容傳感器采用變壓器電橋測(cè)量電路時(shí)，輸出電壓U0與被測(cè)位移Δd之間呈良好的線型特性。,,(四)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,利用對(duì)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(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。,C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)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(gè)比較器，Ur為其參考電壓。,差動(dòng)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(dòng)脈寬調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,C1、C2為差動(dòng)式傳感器,A1、A2是兩個(gè)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(shí),當(dāng)C1>C2時(shí),差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖,(四)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,當(dāng)C1=C2時(shí),當(dāng)C1>C2時(shí),UAP、UBP—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2 —分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,設(shè)R1＝R2＝R，則:,(四)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,說(shuō)明差動(dòng)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(dòng)脈寬

22、調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器：,(四)差動(dòng)脈寬調(diào)制電路,二、測(cè)量電路,,U1—觸發(fā)器輸出的高電位。,差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)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(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。,,(五)運(yùn)算法測(cè)量電路,二、測(cè)量電路,,運(yùn)算

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

24、。,可調(diào)零的運(yùn)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(cè)量誤差產(chǎn)生的主要原因及相應(yīng)的解決辦法。,,溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容電場(chǎng)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(wèn)題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測(cè)量位移

25、、厚度、角度、振動(dòng)等物理量，還應(yīng)用于測(cè)量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)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(jìn)氣口,低壓側(cè)進(jìn)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(dòng)電容壓力傳感器。,1—高壓側(cè)進(jìn)氣口 2—低壓側(cè)進(jìn)氣口 3—過(guò)濾片 4—空腔 5—柔

26、性不銹鋼波 紋隔離膜片(測(cè)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(dòng)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(shí)，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(shí)，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(wèn)題是：中心膜片處于平直狀態(tài)時(shí)，C0=C(d0)=?；當(dāng)PH>PL模片上凸dx時(shí)，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(shí)際

28、拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為dx，當(dāng)d0<<R時(shí)：,在PH-PL作用下,,其中k是一個(gè)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(cè)微儀,3.4

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

30、的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測(cè)量。,3. 電容式液位計(jì),3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,(1)安裝形式 電容式液位計(jì)的安裝形式因被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)不同而有差別.右圖為用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)，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(jì),3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,右

31、圖為用于測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。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(kāi)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(jì),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(chǎng)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(cè)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(cè)大型容器或非導(dǎo)電容器內(nèi)裝非導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；,在測(cè)極低溫度下的液態(tài)氣體時(shí)，一個(gè)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(gè)電容并聯(lián)，以增加靈敏度。,3. 電容式液位計(jì),3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,電容式料位和液位傳感器,測(cè)定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部，儲(chǔ)罐的罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)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(chǔ)罐的內(nèi)徑； d——測(cè)定電極的直徑； h——被測(cè)物料的高度； ε0——空氣的相對(duì)介電常數(shù)； ε1——被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)；,3. 電容式液位計(jì),3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,被測(cè)電容Cx可以配置一個(gè)環(huán)形二極管電路進(jìn)行檢測(cè)。,用環(huán)形二極管充放電法測(cè)量電容的基本原理是以一高頻方波為信號(hào)源，通過(guò)一環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行

34、充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微安級(jí)電流。,基本工作原理：,3. 電容式液位計(jì),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(diǎn)和地之間。Cx為被測(cè)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(jì),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(shí)，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。 對(duì)電容Cx充電的

35、電流i1所示的方向； 對(duì)Cd充電的電流如i3所示方向。 在充電過(guò)程中(T1這段時(shí)間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T1這段時(shí)間內(nèi)由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為 ： q1=Cd(E2-E1),3. 電容式液位計(jì),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(shí)，電容Cx和Cd放電；電壓皆由E2放電到E1。 對(duì)電容Cx放電的電流i2所示的方向； 對(duì)Cd放電的電流

36、如i4所示方向。 在放電過(guò)程中(T2這段時(shí)間)，VD1、 VD3一直處于截止?fàn)顟B(tài)。,在T2這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向A點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為 ： q2=Cx(E2-E1),3. 電容式液位計(jì),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(guò)程的次數(shù))， 則由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2=Cxf(E2-E1), 而從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3=Cdf(E2-E1), 流過(guò)此支路的瞬

37、時(shí)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(jì),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(cè)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(shí)，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(duì)濕度成正比。,5. 電容式鍵盤(pán),3.4 電容式傳感器的應(yīng)用,,常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤(pán)是基于電容式開(kāi)關(guān)的鍵盤(pán)，原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件。這種開(kāi)關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率極小

39、。,利用變極距型電容傳感器實(shí)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(dòng)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(guò)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(hào),并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。,(2) 半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器 　　它通過(guò)感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)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(jiàn)的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過(guò)電子度量來(lái)捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個(gè)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(diǎn)是一個(gè)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(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)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(gè)電容值不同,測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)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(shí)別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)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(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)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(dá)600dpi,并且指紋采集時(shí)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(wú)法比擬的,現(xiàn)在許多指紋識(shí)別系統(tǒng)

43、研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來(lái)進(jìn)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(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)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(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。 右上圖為指紋經(jīng)過(guò)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(mén)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(shí)別，使用者就可以啟動(dòng)

44、PC的操作系統(tǒng)。如果長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自動(dòng)啟動(dòng)屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸ID 鼠標(biāo)為止。這個(gè)鼠標(biāo)在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個(gè)傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)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(lái)。,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(shí)別手機(jī)是98年西門(mén)子推出的SL10手機(jī)，其將“Fingertip”指紋辨認(rèn)技術(shù)移植在SL10上作模擬試用。手機(jī)機(jī)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(huà)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(huà) 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