传感器与检测技术电容式传感器

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1、第4章 电容式传感器图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器电容式指纹识别传感器n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。n下图为指纹经过处理后的成像图：电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器n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。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。第四章第四章 电容式传感器电容式传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、

2、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型一、工作原理一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S极板相对覆盖面积；d极板

3、间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。d、S和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 SddSdSCr0二、类型二、类型三种基本类型三种基本类型：l变极距变极距(变间隙变间隙)(d)型型l变面积型变面积型(S)型型l变介电常数变介电常数(r)型型表4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。l位移位移：线位移和角位移两种。l极板形状极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少

4、用，故表中未列出。其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 (1)(1)变极距型电容传感器变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量C为d2变极距型电容传感器1 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。CdC0C- 特性曲线dC0极距为时的初始电容量。 ddCdddSdSddSC0延伸： 线性度分析dddCC0dddd

5、dddCC1101)1 (11dddddddd如果满足1dd由于：则有：)()(1 ()1 (210nddddddddddddCC )()(1 ()1 (210nddddddddddddCC 略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为: ddCC020dAdCdCS此处理方法的相对误差为：%100/)()(2 ddddddenf%100 %100/)( %100/)()(22 dddddddddddenf上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|d/d|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距d的平方成反比，故可用减少d的办法来提高灵敏度。例如在电容式

6、压力传感器中，常取d0.10.2mm，C0在20100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m的线位移，故在微位移检测中应用最广。 差动电容结构可提高灵敏度与线性度001ddAC002ddAC 2000011ddddddCC差动结构分析 2000021ddddddCC0402000212ddddddddCCv灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍v非线性减小非线性减小(2) (2) 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形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，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效

7、应时为l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 (3) (3) 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。n若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为： dx厚度传感器C1C2C3C/

8、)(0 xxdddabCdx厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxdddabCabdddabdabddabdabdabddabdabdabCCCCxxxxx/ )( / )( 1111111002102012010321变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器n若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被测位移的关系为： C1C2C3CC400/)(/ )(dlabdddblCxxxx a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；d:两固定极板间的距离；dx、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。 l平板形lx例 某电容式液位传感器由直径为

9、40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.871 . 246.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmaxn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被测液位的关系为 xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2

10、120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 液位传感器hC1CC22r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK第二节第二节 转换电路转换电路一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。C0CpRgLr供电电源频率为谐振频率的1/31/2所有这些参量的

11、作用因工作的具体情况不同而不同。在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。其等效电路可简化为图4-4 b，其中等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻ReRg。 CeReLreCe在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L和r的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图4-4 c。其中Ce=C0+Cp，而rer。引线电缆的电感很小，只有工作频率在10MHz以上时，才考虑其影响。而且实际使用时保证与标定时的接线等条件相同，即可消除L的影响。C0CpRgLrLreCe由图可得传感器等效电容C为eerjwCjwLjwC11eeLCwCC21 式中，w为传感器电源角频率。由于电容传感