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1、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n指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为其次代指纹识别系统。n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n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更。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，因此特殊适合在消费类电子产品中运用。第四章第四章 电容式传感器电容式传感器优点：测量范围大、灵敏度高、结构简洁、适
2、应性强、优点：测量范围大、灵敏度高、结构简洁、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特殊是测量电路及半导体集成技术等由于材料、工艺，特殊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。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。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
3、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。第一节第一节 工作原理与类型工作原理与类型一、工作原理一、工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽视边缘效应时，其电容视边缘效应时，其电容C C为为SS极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；dd极板间距离；极板间距离；rr相对介电常数；相对介电常数；0 0 真空介电常数，真空介电常数，0 0 8.85pF/m8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。d d、S S和和rr中的某一项
4、或几项有变更时，就变更了中的某一项或几项有变更时，就变更了电容电容C C。d d或或S S的变更可以反映线位移或角位移的变的变更可以反映线位移或角位移的变更，也可以间接反映压力、加速度等的变更；更，也可以间接反映压力、加速度等的变更；rr的变更则可反映液面高度、材料厚度等的变更。的变更则可反映液面高度、材料厚度等的变更。Sd二、类型二、类型三种基本类型：三种基本类型：变极距变极距(变间隙变间隙)(d)(d)型型变面积型变面积型(S)(S)型型变介电常数变介电常数(r)(r)型型表表4-14-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。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。
5、位移：线位移和角位移两种。极极板板形形态态：平平板板或或圆圆板板形形和和圆圆柱柱(圆圆筒筒)形形，虽虽还还有有球球面面形形和和锯锯齿齿形形等等其其他他的的形形态态，但但一一般般很很少用，故表中未列出。少用，故表中未列出。其其中中差差动动式式一一般般优优于于单单组组（单单边边）式式的的传传感感器器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。(1)(1)变极距型电容传感器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)，当动片随被测量变更而移动时，使两极板间距变更，从而使电容量产生变更，其电容变更量C为d2变极距型电容传感器1 该类型电容式传感器存在着原理
6、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接受适当的测量电路来改善其非线性。CC0C-特性曲线C0极距为时的初始电容量。延长：线性度分析假如满足由于：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：上探讨可知：(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，故可用削减d的方法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取d0.10.2mm，C0在20100pF之间。由于变极距型的辨别力极高，可测小至0.01m的
7、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v灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍v非线性减小非线性减小(2)(2)变面积型电容传感器变面积型电容传感器 变变面面积积型型电电容容传传感感器器中中，平平板板形形结结构构对对极极距距变变更更特特殊殊敏敏感感，测测量量精精度度受受到到影影响响。而而圆圆柱柱形形结结构构受受极极板板径径向向变变更更的的影影响响很很小小，成成为为实实际际中中最最常常接接受受的的结结构构，其其中中线线位位移移单单组组式式的的电电容容量量C C在忽视边缘效应时为在忽视边缘效应时为ll外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2r2
8、、r1 r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当当两两圆圆筒筒相相对对移移动动ll时时，电电容容变变更更量量CC为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)(3)变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 变变介介电电常常数数型型电电容容式式传传感感器器大大多多用用来来测测量量电电介介质质的的厚厚度度、液液位位，还还可可依依据据极极间间介介质质的的介介电电常常数数随随温温度度、湿湿度度变变更更而而变变更更来来测测量量介介质质材材料料的的温温度、湿度等。度、湿度等。若若忽忽视视边边缘缘效效应应，单单组组式式平平板板形形厚厚度度传传感感器器如如下下图，传感器的
9、电容量与被测厚度的关系为：图，传感器的电容量与被测厚度的关系为：dx厚度传感器C1C2C3Cdx厚度传感器C1C2C3C变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器n若忽视边缘效应，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：C1C2C3CC4 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。l平板形lx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
10、存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：n若忽视边缘效应，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。液位传感器hC1CC22r12r2hx其次节其次节 转换电路转换电路一、电容式传感器等效电路一、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：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；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；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；成的总寄生
11、电容；Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗是极间等效漏电阻，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，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。其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。C0CpRgLr供电电源频率为谐振频率的1/31/2全部这些参量的作用因工作的具体状况不同而不同。在低频时，传感器电容的阻抗特殊大，因此L和r的影响可以忽视。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。CeReLreCe在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L和r的影响不行忽视，而漏电的影响可忽视。其等
12、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。而且实际运用时保证与标定时的接线等条件相同，即可消退L的影响。C0CpRgLrLreCe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，电源频率即使接受几兆赫，容抗仍很大，而re很小可以忽视。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变更而变更。因此，变更传感器供电电源频率(即转
13、换电路工作频率)或更换传感器至转换电路的引线电缆后。必需对整个仪器重新标定。测量时应与标定时所处的条件相同，即电缆长度不能变更，传感器供电电源频率不能变更。将电容式传感器接入沟通电桥的一个臂(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，且寄生电容影响微小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥运用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多接受。二、电桥电路二、电桥电路特点：高频沟通正弦波供电；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动微小，需接受稳幅、稳频等措施；通常处于不平
14、衡工作状态，所以传感器必需工作在平衡位置旁边，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应接受自动平衡电桥；输出阻抗很高(几M至几十M)，输出电压低，必需后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。三、二极管双三、二极管双T形电路形电路电电路路原原理理如如图图(a)。供供电电电电压压是是幅幅值值为为UE、周周期期为为T、占占空空比比为为50的的方方波波。若若将将二二极极管管志志向向化化，则则当当电电源源为为正正半半周周时时，电电路路等等效效成成典典型型的的一一阶阶电电路路，如如图图(b)。其其中中二二极极管管VD1导导通通、VD2截截止止，电电容容C1被被以以极极其其短短的的时时间间充充电电、其其影影
15、响响可可不不予予考考虑，电容虑，电容C2的电压初始值为的电压初始值为UE。(b)R2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)电路的工作原理如下：v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。C2UE(b)R2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLR1R2R1R2+iC1iC2iC1iC2C2UE(b)R2R1RLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLR1R2R1R2+iC1iC2iC1iC2电路的工作原理
16、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 依据上面所给的条件,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+C1UERLR1R2+iC1iC2C2RLR1R2+iC1iC2UE C2C1UERLR1R2+iC1iC2UE=n则输出电流在一个周期T内对时间的平均值为n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%，可将其忽视。n故输出电压的平均值为n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
17、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，而不能完全消退。C2C1UERLR1R2+UE i1 i2 iL同理正半周可得四、差动脉冲调宽电路四、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽又称差动脉宽(脉冲宽度脉冲宽度)调制电路调制电路利利用用对对传传感感器器电电容容的的充充放放电电使使电电路路输输出出脉脉冲冲的的宽宽度度随随传传感感器器电电容容量量变变更更而而变变更更。通通过过低低通通滤滤波波器器得到对应被测量变更的直流信号。得到对应被测量变更的直流信号。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
18、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VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路GR2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUrG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快速放电至零，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
19、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。tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0uAuBuAB-U1U1000U1U1tttU0UAB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重量；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
20、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，对差差动动式式变变极极距距型型和变面积型变面积型电容式传感器可得 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。这是特殊珍贵的性质。在此指出：具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。另外，差动脉冲调宽电路接受直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不须要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。五、五、运算放大器式电路运算放大器式电路 其最大特点是能
21、够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图将Cx=代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图负号表明输出与电源电压反相。明显，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此照旧存在确定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。第三节 主要性能、特点与设计要点寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变更则为虚假信号影响仪器的精度，必需消退和减小它。可接受方法：3 3消退和减小寄生电容的影响消退和减小寄生电容的影响（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2
22、）留意传感器的接地和屏蔽；）留意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）接受）接受“驱动电缆驱动电缆”(”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术（5 5）接受运算放大器法；）接受运算放大器法；（6 6）整体屏蔽法）整体屏蔽法（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 接接受受减减小小极极片片或或极极筒筒间间的的间间距距(平平板板式式间间距距为为0.20.5mm0.20.5mm，圆圆筒筒式式间间距距为为0.15mm)0.15mm)，增增加加工工作作面面积积或或工工作作长长度度来来增增加加原原始始电电容容值值，但但受受加加工工及及装装配配工工艺艺、精精度度、示示值值范
23、范围围、击击穿穿电电压压、结结构构等等限限制制。一般电容值变更在一般电容值变更在 10-3103 pF 10-3103 pF范围内。范围内。（2 2）留意传感器的接地和屏蔽）留意传感器的接地和屏蔽图图为为接接受受接接地地屏屏蔽蔽的的圆圆筒筒形形电电容容式式传传感感器器。图图中中可可动动极极筒筒与与连连杆杆固固定定在在一一起起随随被被测测量量移移动动。可可动动极极筒筒与与传传感感器器的的屏屏蔽蔽壳壳（良良导导体体）同同为为地地，因因此此当当可可动动极极筒筒移移动动时时，它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，它与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消退了由此产生的虚假信号。引线电缆也必需屏蔽在传感器屏蔽
24、壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能运用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图（3 3）集成化）集成化 将将传传感感器器与与测测量量电电路路本本身身或或其其前前置置级级装装在在一一个个壳壳体体内内，省省去去传传感感器器的的电电缆缆引引线线。这这样样，寄寄生生电电容容大大为为减减小小而而且且易易固固定定不不变变，使使仪仪器器工工作作稳稳定定。但但这这种种传传感感器器因因电电子子元元件件的的特特点点而而不不能能在在高高、低低温温或或环环境差的场合运用。境差的场合运用。（4）接受“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术当电容式传
25、感器的电容值很小，而因某些缘由(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可接受“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消退了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变更而变更的电压，因此称为“驱动电缆”。接受这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能，如图。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(精确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“
26、驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路困难，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。1：1测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可接受一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。（6）整体屏蔽法）整体屏蔽法 将将电电容容式式传传感感器器和和所所接接受受的的转转换换电电路路、传传输输电电缆缆等等用用同同一一个个屏屏蔽蔽壳壳屏屏蔽蔽起起来来，正正确确选选取取接接地地点点可可减减小小寄寄生生电电容容的的影影响响和和防防止止外外界界的的干干扰扰。下下图图是是差差动动电电容容式式传
27、传感感器器沟沟通通电电桥桥所所接接受受的的整整体体屏屏蔽蔽系系统统，屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在在两两固固定定帮帮助助阻阻抗抗臂臂 Z1和和Z2中中间间，使使电电缆缆芯芯线线与与其其屏屏蔽蔽层之间的寄生电容CP1和CP2分别与Z1和Z2相并联。假如Z1和Z2比CP1和CP2的容抗小得多，则寄生电容CP1和CP2对电桥平衡状态的影响就很小。沟通电容电桥的屏蔽系统Cr1Cr2CP1CP2Z1Z2-A 还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容Cr1和Cr2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此
28、在电缆线长达10m以上时仍能测出 1pF的电容。电容式传感器的原始电容值较大（几百pF）时，只要选择适当的接地点仍可接受一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达10m时，传感器也能正常工作。Cr1Cr2CP1CP2Z1Z2-A4 4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：u屏蔽和接地。用良导体作传感器壳体；将传感元件包围起来，并牢靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘(即屏蔽电缆)，
29、金属网牢靠接地；用双层屏蔽线牢靠接地；用双层屏蔽罩且牢靠接地；传感器与测量电路前置级一起装在良好屏蔽壳体内并牢靠接地等等。4 4防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰u增加原始电容量，降低容抗。u导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必需平行排列时，可接受同轴屏蔽电缆线。u尽可能一点接地，避开多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。u接受差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。第五节第五节 电容式传感器的应用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
30、机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01um至数十毫米、精度可达0.002um、辨别率可达0.001nm。变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.2%、辨别率为0.010.001um。电容式角度和角位移传感器的动态范围为 0.1至几十度，辨别率约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050 m、频率为102kHz，灵敏度高于0.01 m，非线性误差小于0.05 m。上图为一种变面积型电容式位移传感器。它接受差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而变更活动电极与两个
31、固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变更。它用于接触式测量，电容与位移呈线性关系。一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器电容式加速度传感器的结构示意图如上图所示。质量块3由两根簧片4支承置于壳体6内，弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，振动体的振动使壳体相对质量块运动，因而与壳体6固定在一起的两固定极板1相对质量块3运动，致使上固定极板1与质量块3的A面(磨平抛光)组成的电容Cx1以及下固定极板1与质量块3的B面(磨平抛光)组成的电容Cx2随之变更，一个增大，一
32、个减小，它们的差值正比于被测加速度。图4-29是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简洁、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测微小压差(00.75Pa)。它是由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢)膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25m，其上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形成传感器的两个差动电容C1、C2。当两边压力p1、p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电容间距相等，因此两个电容相等；当p1p2时，膜片弯向p2，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变更量大小相同；当压差反向时，差动电容变更量也反向。这种差压传感器也可以用来
33、测量真空或微小确定压力，此时只要把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。三、电容式差压传感器三、电容式差压传感器n常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种n电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键变更电电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键变更电极间的距离产生电容量的变更，短暂形成震荡脉冲允许通过的极间的距离产生电容量的变更，短暂形成震荡脉冲允许通过的条件条件n理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率微小甚至可以忽理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率微小甚至可以忽视不计，也没有接触不良的隐患，噪音小，简洁限制手感，可视不计，也
34、没有接触不良的隐患，噪音小，简洁限制手感，可以制造出高质量的键盘以制造出高质量的键盘n工艺较机械结构困难工艺较机械结构困难 其它应用：电容式键盘其它应用：电容式键盘其它应用：电容式键盘其它应用：电容式键盘此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换其它应用：其它应用：湿度测量湿度测量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。HM1500湿度传感器在工农业生产、气象、环保、在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，常国防、科研、航天等部门，常常须要对环境湿度进行测量及常须要对环境湿度进行测量及限
35、制限制当环境湿度发生变更时，湿敏电容的介电常数发生当环境湿度发生变更时，湿敏电容的介电常数发生变更，使其电容量也发生变更，其电容变更量与相变更，使其电容量也发生变更，其电容变更量与相对湿度成正比。对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是：湿敏电容的主要优点是：灵敏度高灵敏度高产品互换性好产品互换性好响应速度快响应速度快湿度的滞后量小湿度的滞后量小便于制造便于制造简洁实现小型化和集成化简洁实现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻要低一些其精度一般比湿敏电阻要低一些第四节 电容式传感器应用举例 2、容栅式传感器容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的
36、同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且接受闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰实力、提高了测量精度(可达5?m)、极大地扩展了量程(可达1m)。容栅式传感器是一种很有发展前途的传感器。现已应用于数显卡尺、测长机等数显量具。将电容传感器中的电容极板刻成确定形态和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系统。正是特定的栅状电容极板和独特的测量电路使其超越了传统的电容传感器，适宜进行大位移测量。一、工作原理及转换电路在图中左侧，一个极板由匀整排列电极的长栅(定栅)组成，另一个极板由一对相同尺寸的交织对插电极梳(动栅对)组成。(一)开环调幅式测量原理 运行时，传感器的两个电
37、极栅片相对安装如下图，其中暗区域是两个电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反向变更的差动电容器C1和C2。传感器仍接受传统差动变压器测量电路，但通过将电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。(二)闭环调幅式测量原理其中下图 是系统原理图。图中A、B为动尺上的两组电极片，P为定尺上的一片电极片，它们之间构成差动电容器CA、CB。(二)闭环调幅式测量原理两组电极片A和B各由四片小电极片组成，在位置a时，一组为小电极片14，另一组为58。方波脉冲限制开关S1和S2，轮番将参考直流电压 U0和测量转换系统的直流输出电压Um分别接入两个小电极组A和B。若系统保证电容极板P为虚地，则在一个周期内
38、，激励信号通过差动电容CA和CB在电容极板P上产生的电荷量QP为(CAU0-CBU0+CAUm+CBUm)。当QP为零时，测量转换电路保证Um不变；否则导致测量转换电路使Um变更，并保证其变更使QP的值减小，直至为零。这时，由上面可推导出：则输出直流电压与位移成线性关系。当相对位移量超过l0(小电极片的间距)即L0/4时，由限制电路自动变更小电极片组的接线，见图中位置b，这时电极片组1由小电极片25构成；电极片组2由小电极片69构成。这样，在电极片P相对移动的过程中，能保证始终与不同的小电极片形成同样的差动电容器，重复前述过程，而得到与位移成线性关系的输出电压。该测量系统由输出电压来调整激励电
39、压，形成闭环反馈式测量系统。因而具有下节所述闭环反馈系统的优点，而且还使寄生电容的影响大为减小。电路困难是其主要缺点。(三)调相式测量原理 调相式测量原理如图4-25所示。容栅传感器一个极板K由数个发射极片组形成，每个极片组中有八个宽度均为l0的放射极片，分别加以八个幅值为Um、频率为、相位依次相差/4的正弦激励电压；另一个极板由很多反射极片M和接地的屏蔽极片S形成；还有一个接受极片R。等效电路 UMUR由此，可以推导 出 可见，传感器输出一个与激励同频的正弦波电压，其幅值近似为常数k，而其相位则与被测位移x近似成线性关系。通常采用相位跟踪法测出相位角。当被测位移x超过l0时，则重复上述过程，
40、勿需变更放射极片的接线即可实现大位移测量。明显，调相式测量系统具有很强的抗干扰实力，但由上 式可知它在原理上存在非线性误差(0.01l0)，而且当用方波电压激励时还存在高次谐波的影响，结果导致测量精度下降。二、容栅传感器的结构形式(一)反射式 此结构形式简洁，运用便利，但移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大。二、容栅传感器的结构形式(二)透射式 它是一个开有匀整间隔矩形窗口的金属带和测量装置组成。在测量装置的两侧分别固定着一个公共接收电极板和一个与图4-26中一样的有一系列小放射电极片的极板，而金属带则在测量装置的中间通过并随被测位移一起移动。放射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦
41、合电容，而金属带则代替图4-26中的屏蔽极起屏蔽作用。这种结构形式的特点是：测量调整便利、安装误差和运行误差的影响大为降低。但其制造安装困难。(三)倾斜式 它是将图4-26中的一系列小放射电极均倾斜一个角度，而其它电极栅片不变所形成的，图4-28给出其动栅极片形态。它可以消退图4-24中测量系统在变更小电极片组的接线时，由于小放射极片间隙与接收电极片边缘不志向所产生的突变误差,因此它对加工精度要求不高。二、容栅传感器的结构形式 3 力平衡式电容传感器（一）、闭环反馈式传感器的原理与特点 通常传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成的如图0-1所示的开环系统。将广泛应用的“反馈”技术引入传感器
42、组成闭环系统，不仅可以大大地改善系统性能，提高测量精度，而且能解决某些开环测量系统无法解决的问题。闭环传感器原理框图示于图4-23，一般是把系统输出(通常为电量)通过反馈环节变更成反馈量(通常为非电量)，然后与输入进行比较产生一个偏差信号。此偏差信号经前向环节放大后调整反馈量，直至偏差信号为零的平衡状态，此时输出即为测得值。这种传感器也被称作平衡式传感器。它接受的比较和平衡方式有力和力矩平衡、电流平衡、电压平衡、电荷平衡、热流量平衡、温度平衡等。常用的反馈元件有线位移和角位移动圈元件以及压电器件等为保证闭环系统的稳定或满足传感器不同的频响要求，往往需要加入复合反馈环节和在放大环节中加入校正环节
43、等。闭环传感器的系统框图可简化为图4-30。图中W0(s)为前向环节的传递函数，Wf(s)为反馈环节的传递函数，则系统的传递函数W(s)为实际中简洁保证：|W0(s)Wf(s)|1，且系统稳定。依据自控理论，闭环系统静态增益为1/|Wf(s)|、时间常数是开环系统的1/(1+|W0(s)Wf(s)|)、固有频率为开环系统的(1+|W0(s)Wf(s)|)1/2倍。因此，闭环传感器具有如下优点：精度高。传感器的精度和稳定性主要取决于反馈环节，而与前向环节无关。灵敏度高，线性好、量程大。传感器工作于平衡状态旁边，相对初始状态的偏移量很小。动态特性好。时间常数小，固有频率高。但同时具有困难、加工要求
44、高、成本高、体积大等缺点。（二）、力平衡式加速度电容传感器力平衡式传感器就是先将被测量转换成力或力矩，然后用反馈力与其平衡的闭环传感器。它的种类很多，可以测量加速度、角速度、压力、重量、电功率、高电压等。(一)力平衡式电容加速度传感器系统组成及工作原理 图4-31所示为力平衡式加速度传感器的原理图。它由惯性敏感元件、位移传感器、放大器和磁电式力矩器等组成，其中，位移传感器常常接受电容式的。运用时将其固定在被测物体上，当传感器壳体相对惯性空间向上位移x时，壳体上的被测加速度ax=d2x/d2t。在惯性力Fx=max的作用下，惯性敏感元件相对于壳体向下位移y。电容位移传感器测出y，再经放大器输出电
45、流I给力矩器。由力矩器产生的反馈力F=I，它与Fx方向相反、并共同形成不平衡力F=Fx-F 作用于质量块，使位移y减小、直至为零，此时F =Fx，其中 是力矩器的机电耦合系数。于是，闭环系统的输出电压正比于被测加速度，即 2传递函数 力平衡式电容加速度传感器的原理框图如图4-32所示。惯性敏感系统是一个典型的二阶机械系统，0和 为其固有频率和阻尼比，是取决于惯性敏感元件阻尼系数b和弹簧刚度c的常数。所以惯性敏感元件的传递函数为 放大器和位移传感元件串联后的传递函数为一常数A0。则前向环节的传递函数为：闭环系统的传递函数为：4应用力平衡式电容加速度传感器目前主要用于超低频低加速度值的测量，是惯性导航系统中不行缺少的关键元件之一。运载火箭、远程弹道导弹外，中程导弹、战术导弹、军用飞机、舰船、宇宙飞船等运用的加速度传感器绝大多数是力平衡式的。例如，力平衡式加速度传感器用于惯性导航平台系统的调平和运动状态参数的测量，是在导弹的惯性导航平台上，沿三个坐标轴安装三只力平衡式加速度传感器，分别测出三个轴向的加速度。再通过积分器和计算机求出三轴方向的速度和位移，从而确定运动物体在空间的坐标位置并供应速度、位置等各种反馈限制信号。因为加速度是在运动物体上不依靠外部参考物就可测量的唯一运动参量，因此自主式惯性导航系统具有独特的优点，不易受外界环境和敌方干扰的影响。