电容式传感器

一、 变极距型电容传感器
当传感器的εr和S为常数, 初始极距为d0时, 可知其初始电容
量C0为
c0
0 r S
d0
h
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若电容器极板间距离由初始值d0
d
d d
C0
d 1d
d
可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲 线关系。
此时ΔC与Δd近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感 器只有在Δd/d0很小时, 才有近似的线性输出。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20-100pF 之间, 极板间距离在25-200μm的范围内, 最大位移应小于间距的 1/10, 故在微位移测量中应用最广。
h
11
二、 变面积型电容式传感器
改变极板间覆盖面 积的电容式传感器，常 用的有线位移型和角位 移型两种。
线位移型电容式传 感器主要分为：
C 2x
ln(r2 / r1)
x——外圆筒与内圆筒覆盖部 分长度； r1、r2——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 其灵敏度为：
dC 20 常数
dx ln(r2/r1)
h
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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，因而导致电容量 变化。
第四章 电容式传感器
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压 力等）的变化转换成电容变化量的一种传 感器。实际上,它本身（或和被测物）就是 一个可变电容器。
我们先来看几个例子，来体会一下将非 电量转化为电容值的变化。
h
1
实例：指纹识别传感器
图为IBM
ThinkpadT4
2/T43 的指纹识
别传感器
h
2
❖ 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，其外面是一层绝缘的表面。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。
2 H
C0= ln D
d 0 2 rl
d
由式可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。
h
19
h
20
2.变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张,
绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等
非导电固体介质的湿度。图示为一种常用的测量长度或位移的
结构。 图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为εr2 的电介质以不同厚度插入电容器中, 从而改变两种介质的厚度。
h
5
４.1 电容式传感器的工作原理和结构
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为
c S d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真 空介电常数, εr为极板间介质相对介电常数;
S
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
h
6
图 4-1 平 板 电 容 器
当被测参数变化使得式中的S、d或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个 参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电 路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介质型三种类型。
传感器总电容量C为
cc1c20b0r1(Ld00L)
式中: L0, b0——极板长度和宽度;
L—— 第 二 种 介 质 进 入 极 板 间 的 长 度 。 若 电 介 质 εr1=1, 当L=0时, 传感器初始电容C0=ε0εr1L0b0/d0。 当介质εr2进入极间 L后, 引起电容的相对变化为
h
21
ccc0 (r2 1)L
c0
c0
L0
可见, 电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。
平面线位移型和圆 柱线位移型两种。
图示为平面线位移 型
h
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❖ 对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板 沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之 变化
❖ 电容量为：C =(ε0εbx)/ δ ❖ 其灵敏度为 ：
dC 0b常数 dx
h
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❖ 图示为圆柱线位移型电容式 传感器，当覆盖长度x变化时， 电容量也随之变化，其电容 为：
h
3
❖ 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：
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。
h
4
４.1 电容式传感器的工作原理和结构 ４.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 ４.3 电容式传感器的特点及设计要点 4 .4 电容式传感器的测量电路 4 .4 电容式传感器的应用
内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变可换看器作电若容干值不为同半径的圆
c
21h2(Hh)
lnD
lnD
d
d
2H
lnD d
2hl(n筒其1Dd电中)容半器径c0串为联r2的。电(ln1容Dd器)电 h容：
C=02rl/dr
式中：ε——空气介电常数;
总电容：
1
C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容D 值d,r
h
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❖ 当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆 盖面积为 s=ar2/2，电容量为 ：
❖ 其灵敏度为：
c 0rar2 2
d
C
r2 0
常数
da 2
h
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h
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三、 变介质型电容式传感器
1.图示为一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位 高低的结构原理图。
h
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设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度圆为筒h,电变容换器器电总容高计度算为：H,
h
8
h
9
另外, 在d0较小时, 对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增 大, 从而使传感器灵敏度提高。但d0过小, 容易引起电容器击 穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑
料膜等）作介质, 此时电容C变为
c S dg d0 0 g 0
式中: εg——云母的相对介电常数, εg= 7;
ε0——空气的介电常数, ε0= 1;
d0——空气隙厚度;
dg—云母片的厚度。
h
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云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于 1000 kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间 起始距离可大大减小。同时, 上式中的 (dg/ε0εg)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。