第4章 电容传感器

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1、第第4章章 电容式传感器电容式传感器v4.1电容式传感器的工作原理与结构形式电容式传感器的工作原理与结构形式v4.2 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路v4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用v小小 结结第四章电容传感器原理动画第四章电容传感器原理动画我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后盖，可以看到一只盖，可以看到一只“可变电容器可变电容器”。增加该电容。增加该电容器器“动片动片”的旋出角度，收音机的谐振频率就逐的旋出角度，收音机的谐振频率就逐渐升高，所接收到的电台频率也逐渐升高。渐升高，所接收到的电台频率也逐渐升高。结论：这个电容器的电

2、容量与两个极板的有效结论：这个电容器的电容量与两个极板的有效投影面积成正比。投影面积成正比。指纹识别传感器图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器3电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器v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。v下图为指纹经过处理后的成像图：45v指纹识别所需电容传感器包含一个大约有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，其外面是一层绝数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面缘的表面6v当用户的手指放在上面时，金属导体阵列当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/ /绝绝缘物缘物/ /皮肤就构成了相应的小电容器阵

3、列。它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。金属导体之间的距离不同而变化。74.1电容式传感器的工作原理与结构电容式传感器的工作原理与结构形式形式v4.1.1电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理v4.1.2 电容式传感器的结构形式电容式传感器的结构形式第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 上式中，哪几个参量是变量？可以上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？做成哪几种类型的电容传感器？ 0 rAACdd 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想

4、公式为第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量，三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量均可使平板电容的电容量C C 改变。改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。型的电容传感器。 0 rAACdd 从电工知识可知，电容传感器的电容量从电工知识可知，电容传感器的电容量C与两极板与两极板相互遮盖的有效面积相互遮盖的有效面积A以及两极板之间的介质相对介以及两极板之间的介质相对介电常数电常数r成正比，与两极板间的距离成正比，与两极板间的距离d（常称为极距）（常称为极距）成

5、反比。成反比。回回 顾顾 一一 下下4.1.2 电容式传感器的结构形式电容式传感器的结构形式v1. 变极距型电容传感器v2. 变面积型传感器v3. 变介电常数型传感器v由于各种介质的相对介电常数不同，如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常被用来测量液体的液位和材料的厚度。一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是同心圆筒形是同

6、心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒 内作上、下内作上、下直线运动。图直线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体的轴由被测物体带动而旋转一个角位移带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，就减小，因而电容量也随之减小。因而电容量也随之减小。变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器(详细分析详细分析)改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移角位移型型和和线位移型线位移型两种。两种。图为典型的角位移型电容式传

7、感器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，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。因而导致电容量变化。+14v当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为、极板半径为r时，覆时，覆盖面积为盖面积为 s=ar2/2，电容量为，电容量为 ：220arcr常数220rdadCdr15其灵敏度为：其灵敏度为：v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。16v对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板的动板沿箭头沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随

8、之方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化变化v电容量为：电容量为：17b ba ax x0.().b axbCCx0bCCCx 其灵敏度为其灵敏度为 ：0()CCbkxav对于圆柱线位移型电容式传感器，对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度当覆盖长度x变化时，电容量也变化时，电容量也随之变化随之变化v其电容为：其电容为：)/ln(221rrxCv式中：式中：xx外圆筒与内圆筒覆盖部分长外圆筒与内圆筒覆盖部分长度；度；vr1r1、r2r2外圆筒内半径与内圆筒（或外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径内圆柱）外半径，即它们的工作半径v其灵敏度为：其灵敏度为：常数)/ln(2

9、21rrdxdCk18线位移线位移角位移角位移单组式单组式差动式差动式)ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC021212)ln(2)ln()(2)(ln21 平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。 增大初始电容增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；可以提高传感器的灵敏度； 极板宽度极板宽度a的大小不影响

10、灵敏度，但不能太小，否则边缘电的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；场影响增大，非线性将增大； X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。位移、尺寸等参量。

11、二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离移时，改变了两极板之间的距离d d，从，从而使电容量发生变化。而使电容量发生变化。 实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距d0尽量尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。距式电容器的行程较小的缺点。极距式电容传感器（详细解析）极距式电容传感器（详细解析）极距式电容传感器当传感器的当传感器的r r和和A为常为常数数, ,初始极距为初始极距为0 0时时, ,由由式式(4-1)可知其初始电容可知