PDF《2.4 电容式传感器》

? ? ? A C

0 ? 电容式传感器实质是一具有 可变参数的电容器.

中间充满介 质的两块平行金属极板构成的电 容器,其电容量为: 式中,?:介质的相对介电常数,空气? ?1;

?0:真空的介电常数,?0=8.85?10-12F/m;

?:极板间距;

A:极板面积. A ? ? 2.4 电容式传感器 ? 工作原理 当被测量使?、A或?发生变化时,都会引起C 的变化.实际使 用中,通常仅改变一个参数,根据变化参数的不同,可分为三类: ?改变极板间距?――极距变化型;

?改变极板相互遮盖面积A――面积变化型;

?改变极板间介质(改变?)――介质变化型.

0 0

0 ? ? ? A C ? 初始电容: 显然,C 与极距成反比. 传感器的灵敏度: 2.4.1. 极距变化型 可见,灵敏度与极距的平方成反比,极距越小,灵敏度越高,但 极距减小受极板间击穿电压的限制.此外,为了减小因灵敏度随极 距变化导致的非线性误差,通常极距变化范围??/?0?0.1.因此, 此类电容传感器仅适于较小位移的测量(0.01?m ~ 数百微米).

0 0

2 0

0 ? ? ? ? ? C A d dC S ? ? ? ? ? 实际应用中,为了提高灵敏度、线性性及克服外界条件 (如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响,常采 用差动式(如下图).此时灵敏度提高一倍,非线性误差减 小. ?2 ? ? ?1 ?? 定板 动板 定板 动板 定板 定板 包括线位移型(平面线位移和圆柱体线位移)和角位 移型两种. ? 角位移型

1 ― 动板

2 ― 定板

2 2 r A ? ? ? ?? ?

2 2

0 r C ? constant

2 2

0 ? ? ? ? ? ? ? r d dC S 其中,?:覆盖面积对应的中心角;

r:极板半径. 灵敏度 ? ? ? A C

0 ? 2.4.2. 面积变化型 bx A ? ? ? ? bx C

0 ?

0 c o n s t a n t b d C S d x ? ? ? ? ? ? 其中,b:极板宽度 ? ? ? A C

0 ?

1 ― 动板

2 ― 定板 灵敏度 ? 平面线位移型 ) / ln(

2 0 d D x C ? ?? ? constant ) / ln(

2 0 ? ? ? d D dx dC S ? ?? 其中,D:圆筒孔径;

d :圆柱外径. 面积变化型电容传感器输入输出成线性关系,但灵敏 度较低,适用于较大直线位移及角位移测量.

1 ― 动板

2 ― 定板 灵敏度 ? 圆柱线位移型 ? CA CB ?1 ?2 x l ?2 厚度为?2 的介质(?2 为其介电 常数)在电容器中左右运动,由于电 容器中介质的介电常数改变,电容量 改变.设电容器极板宽度为b,介质 ?2的宽度大于等于b. 2.4.3. 介质变化型 其中:?1= ? - ?2

1 2

0 0

1 2

1 2

1 A B x C C C C C l ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

0 1

2 1

2 1

2 1 C dC S dx l ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 灵敏度为常数,输入输出成线性关系. 存在介质时,相当于两个电容器并联 电容: 灵敏度 ? 输入能量小(极板间静电引力小)、灵敏度高;

? 动态特性好(可动质量小,固有频率高);

? 发热小,能量损耗小;

? 结构简单、适应性好,可在高、低温、强辐射环境中工作;

? 可实现非接触测量 ? 一般传感器两极板间电容很小(几皮法~几十皮法),不 仅导致低频输出阻抗很大(几十甚至上百M?),负载能 力弱,而且电缆分布电容(大且不稳定)影响大. 2.4.4. 电容式传感器特点 ? 电容式传感器测厚 ? 转速测量

1 ― 齿轮

2 ― 定极

3 ― 电容传感器

4 ― 频率计 被测带材 轧辊 工作极板

2 1

3 4 2.4.5. 工程应用 Veridicom的指纹传感芯片表面由300*300个电容传感器组 成.手指充当电容器的另外一极.由于手指上指纹纹路及 深浅的存在,导致硅表面电容阵列的各个电容电压的不 同,通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级 的指纹图像. ?指纹传感芯片 电容感应原理