電容式傳感器論文

1、電容式傳感器合肥工業(yè)大學計算機與信息學院 電子信息工程13-3班聶建兆摘要：電子技術的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術問題，使電容式傳感器不但廣泛應用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應用于測量力、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 電容式傳感器的工作原理和結構形式1.1電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是一個具有可變參量的電容器，將被測非電量變化成為電容量。多數(shù)情況下，電容式傳感器是指以空氣為介質的兩個平行金屬極板組成的可變電容器。由兩平行極板組成一個電容器，若忽略其邊緣效應，則它的電容量可用下式表示S電容式傳感器結構

2、 C= S/= 0r S/式中 S 極板相互遮蓋面積（m2）； 兩平行板間距離（m）； r 極板間介質的相對介電常數(shù)； 0 真空的介電常數(shù)（8.85×1012F/m）。由式（7-1）可見，在r、S、三個參量中，只要保持其中兩個不變，改變其中的一個均可使電容量C改變，這就是電容式傳感器的工作原理。所以電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板面積的變面積型；改變極板間距離的變極距型；改變極板間介質的變介質型。2 電容式傳感器的分類2.1 固定介質變間隙電容式傳感器定極動極l 固定介質變間隙電容式傳感器結構：l 固定介質變間隙電容式傳感器的靈敏度：l 固定介質變間隙電容式傳感器的非線性誤差：

3、l 介電常數(shù)提高，可以提高靈敏度因子，這時靈敏度得到提高，但非線性誤差也增加了，為了減小非線性誤差，也可以采用差動方式。2.2 變面積電容式傳感器l 變面積電容式傳感器結構：l 變面積電容式傳感器的靈敏度：l 變面積電容式傳感器的非線性誤差：l 變面積電容式傳感器無非線性誤差，增加，減小可以提高靈敏度，不能太小，否則邊緣效應明顯。2.3 變介電常數(shù)電容式傳感器l 變介電常數(shù)電容式傳感器結構：3 電容式傳感器的信號調節(jié)電路3.1運算放大器式電路l 電路： 3.2 電橋電路l 電路振蕩檢波放大濾波電橋 3.3 調頻電路l 直放式調頻調頻振蕩限幅鑒頻放大l 外差式調頻調頻振蕩限幅鑒頻放大放大變頻放大

4、本振l 外差式調頻比直放式調頻性能優(yōu)越，其選擇性高、特性穩(wěn)定、抗干擾性強。l 調頻方式具有抗干擾性強、特性穩(wěn)定、輸出電平高（伏特級）3.4 諧振電路l 電路放大整流振蕩l 特點：² 靈敏度高² 工作點難以確定² 工作范圍窄² 傳感器要離電路近。² 振蕩器要求穩(wěn)定性高。3.5二極管T型網(wǎng)絡方波電源傳感器電容平衡電容負載電阻l 電路l 當時：充電，；放電，l 當時：充電，；放電，l 放電和放電形成電流正和負，的平均值為兩者之差。l 平衡時： l 平衡時： l 特點：² 、有共同的地² 工作電平高，都工作于線性區(qū)² 輸出

5、電壓高² 輸出電流大，時，數(shù)量級² 上升時間小，時，數(shù)量級。適合高速測量。雙穩(wěn)觸發(fā)器-+-+ACBD3.6 脈沖寬度調制電路l 電路l 初值： l 加電時假設：， ，這時充電，不斷提高，不充電，不變。l 不斷提高的時，S觸發(fā)使， ，這時通過快速放電充電使，而開始充電，不斷提高。l 不斷提高的時，R置位使， ，這時通過快速放電充電使，而開始充電，不斷提高。l 輸出電壓脈沖寬度與和充電時間常數(shù)有關，從而使得輸出電壓的平均值與和的大小有關。設l 變極板距離電容時：對于差動電容：， l 變面積電容時：對于差動電容：， 4 影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施4.1 影響精度的

6、因素l 溫度對電容結構尺寸的影響，將引起電容值的變化。l 溫度對電容的電介質的影響，將引起電容值的變化。l 電容式傳感的電容很小，容抗大，電容漏電流有較大的分流作用，將引起電容式傳感靈敏度的下降。l 電容邊緣效應和寄生參數(shù)將引起電容式傳感的非線性效應，并且使靈敏度下降。4.2 提高精度的措施l 選用溫度系數(shù)小和穩(wěn)定的材料和電介質，以消除溫度的影響。l 增加原始電容值，以減小寄生電容和漏電的影響。l 縮短傳感器到測量電路前置級的距離，以減小寄生電容和提高寄生電容的穩(wěn)定性。l 采用驅動電纜法，以消除電纜電容效應。A=1測量電路外屏蔽內屏蔽等電位l 采用整體屏蔽法，以消除寄生參數(shù)效應。整體屏蔽法就是

7、將整個傳感器橋體，包括電源和電纜，用一個統(tǒng)一屏蔽保護起來P104圖5-23。5 電容式傳感器的應用5.1 壓差式電容壓力傳感器構成：膜片動極板，一般采用不銹鋼材料制作，需要加預張力。玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。球面的作用是壓力過大時（過載）保護膜片，并改善系統(tǒng)的非線性。后續(xù)測量電路常使用差動脈沖調寬電路。由壓差式電容壓力傳感器工作過程可得：（C1-C2）/（C1+C2）=K（PH-PL）式中 C1 C2 電容（F）；K 常數(shù)，與傳感器結構有關；PH 兩球室承受的低壓（Pa）；PL 兩球室承受的高壓（Pa）。5.2 電容測厚儀電容式測厚儀是用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度

8、的在線檢測儀器。在被測帶材的上下兩側各設置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，兩塊用導線連接作為傳感器的一個電極板。帶材本身則是電容傳感器的另一個電極板。當帶材在軋制過程中的厚度發(fā)生變化時，引起電容的變化。通過測量電路與指示儀表可顯示帶材的厚度。220V· ·1KHz音頻信號發(fā)生器音頻放大器穩(wěn)壓電源整流差動放大器電容式測厚儀原理框圖5.3電容傳聲器 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，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。5.4 電容式指紋傳感器 傳感器陣列的每一點是一個金屬電極,充當電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應點則作為另一極,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。6 應用前景電容式傳感器具有許多獨特的特點，是當今傳感器技術的重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的應用前景。其中在指紋傳感器上的應用更是多種多樣，如：西門子推出的“ID Mouse”指紋鼠標、98年西門子推出的SL10指紋手機、手形識別系統(tǒng)、面部識別系