第3单元 电容式传感器.pptVIP

请你思考 试举例你身边的小距离非接触测量的电容式传感器。 电容式传感器可否替代应变片式传感器，制成称重设备？考虑它的弹性元件应如何设计？ 电容测量时，引线与大地之间的杂散电容对被测电容影响较大，考虑四相检测电容转移式微电容测量线路可否克服上述问题。 试采用MATLAB/Simulink建立电容传感器的仿真模型，可调用现有的转换电桥模块Converting bridge和整流模块Rectifier等，观察输入输出值和准确度。 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。 实例一：指纹识别传感器 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。 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： 实例二：电容层析成像系统 3.1.2 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。 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。当忽略边缘效应时，电容量为： 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： 圆柱形变面积型电容传感器 当两圆筒相对移动Δx时，电容变化量 ΔC 为 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： 3.2 电容式传感器的主要性能及特点 高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路 3.3.1.调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变化。 3.3.2 运算放大器式电路 运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。  图示为运算放大器式电路原理图。Cx为电容式传感器, 是交流电源电压, 是输出信号电压, Σ是虚地点。 由运算放大器工作原理可得 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I1 。 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I2 。 根据上面所给的条件, 则电流I1 =I2, 且方向相反, 在一个周期内流过RL的平均电流为零。 误差因素1：边缘效应 误差因素2：寄生电容 3.4 电容式传感器的应用 电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。 变极距型 适用于较小位移的测量，量程在0.01μm 至数百微米、精度可达0.01μm 、分辨力可达0.001 μm 。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01 μm 。 电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1″至几十度，分辨力约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。 电容式测振幅传感器 可测峰值为0?50 μm 、频率为10 ? 2kHz，灵敏度高于0.01 μm ，非线性误差小于0.05 μm 。 3.4.4 电容式湿度传感器 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。 3.4.5 其他应用 1. 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件 理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘 工艺较机械结构复杂 习题