第4章 电容式传感器,指纹识别传感器,图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器,电容式指纹识别传感器,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。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,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 电容式传感器,优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、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：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 工作原理与类型一、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。,二、类型三种基本类型：变极距(变间隙)(d)型变面积型(S)型变介电常数(r)型表4-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。位移：线位移和角位移两种。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)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,d,2,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。,C,C0,C- 特性曲线,C0极距为时的初始电容量。,延伸： 线性度分析,如果满足,由于：,则有：,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:,此处理方法的相对误差为：,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,差动结构分析,灵敏度提高一倍非线性减小,(2) 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,这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。,(3) 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、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、湿度等。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：,变介电常数型电容传感器,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：,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。,例 某电容式液位传感器由直径为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：,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,可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。,第二节 转换电路一、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。,供电电源频率为谐振频率的1/31/2,所有这些参量的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。,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。,由图可得传感器等效电容C为,式中，w为传感器电源角频率。由于电容传感器的电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而re很小可以忽略。因此，,此时电容传感器的等效灵敏度为,式中，为被测变量。,由上式可知：当电容传感器的供电电源频率较高(几百千赫至几兆赫)时，传感器灵敏度由kg增加到k； k与传感器的固有电感(包括电缆电感)有关； k 随w变化而变化。 因此，改变传感器供电电源频率(即转换电路工作频率)或更换传感器至转换电路的引线电缆后。必须对整个仪器重新标定。测量时应与标定时所处的条件相同，即电缆长度不能改变，传感器供电电源频率不能改变。,将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,二、电桥电路,特点： 高频交流正弦波供电； 电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施； 通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； 输出阻抗很高(几M至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。,三、二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。,(b),R2,R1,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),电路的工作原理如下：当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止, 于是电容C1充电; 在随后负半周出现时, 电容C1上的电荷通过电阻R1 ,负载电阻RL放电, 流过RL的电流为Ic1。,C2,UE,(b),R2,R1,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,RL,R1,R2,R1,R2,+,+,+,+,iC1,iC2,iC1,iC2,C2,UE,(b),R2,R1,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,RL,R1,R2,R1,R2,+,+,+,+,iC1,iC2,iC1,iC2,电路的工作原理如下：在负半周内, VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时, C2通过电阻R2 ,负载电阻RL放电, 流过RL的电流为Ic2 根据上面所给的条件, 则电流Ic1=Ic2 ,且方向相反, 在一个周期内流过RL的平均电流为零,+,=,则输出电流在一个周期T内对时间的平均值为,适当选择线路中元件参数及电源频率f,使k15,k25,则下式中的指数项在总输出中的比例将小于1%，可将其忽略。,故输出电压的平均值为,由式可见，输出电压与电源电压E的幅值大小有关，而且还与电源频率有关，因此，要求稳压，稳频。另外输出与C1-C2有关，而不是与(C1-C2 ) /(C1+C2 )有关，因此原理上只能减小非线性，而不能完全消除。,四、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。,R2,双稳态触发器,VD1,VD2,A1,A2,A,B,R1,C1,C2,uAB,F,Q,Q,Ur,G,设接通电源时，双稳态触发器的Q端(即A点)为高电位， Q非端为低电位。因此A点通过R1对C1充电，直至F点的电位等于参考电压Ur时，比较器A1输出脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端变为低电位， Q非端(即B点)变为高电位。此时F点电位Ur经二极管VD1迅速放电至零，同时B点高电位经R2向C2充电，当G点电位充至Ur时，比较器A2输出脉冲，使双稳态触发器再一次翻转，Q端又变为高电位， Q非端变为低电位。如此周而复始。则在A、B两点分别输出宽度受C1、C2调制的矩形脉冲。,t,uA,uA,uB,uB,uAB,uAB,UF,UF,UG,UG,Ur,Ur,Ur,Ur,-U1,U1,T1,U1,-U1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,T2,U1,U1,U1,U1,T1,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),差动脉冲调宽电路各点电压波形图,U0,uA,uB,uAB,-U1,U1,0,0,0,U1,U1,t,t,t,U0,UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为,UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。,C1、C2的充电时间T1、T2为,设R1R2R，则,因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为 、 和S1、S2，将平行板电容公式 代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得,