电容式传感器及其应用课件.ppt

1、课题课题3 电容式传感器及其应用电容式传感器及其应用 任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识 任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 任务任务3 电容式传感器知识扩展电容式传感器知识扩展电容器指电容器指纹识别纹识别 任务任务4 电容式传感器项目实训电容式传感器项目实训由集成电由集成电路制作的电容感应式控制电路路制作的电容感应式控制电路返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识 3.1.1电容式传感器工作原理及结构电容式传感器工作原理及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

2、缘效应，其电容量为缘效应，其电容量为式中，式中，为电容极板间介质的介电常数，为电容极板间介质的介电常数，=0r，其中，其中0为真空介电为真空介电常数，常数，0=8.854x10-12F/m;r为极板间介质相对介电常数为极板间介质相对介电常数;A为两平为两平行板所覆盖的面积行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。为两平行板之间的距离。下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识当被测参数变化使得式当被测参数变化使得式(3-1)中的中的A、d或或发生变化时，电容量发生变化时，电容量C也随也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可之变化。如果保持其中两个参数

3、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，电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变输出。因此，电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种类型。介电常数式三种类型。1.变极距式电容传感器变极距式电容传感器如果两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量如果两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随随极距极距d按非线性关系变化，如按非线性关系变化，如图图3-2(b)所示。所示。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电

4、容式传感器基本知识设极板设极板2未动时传感器初始电容为未动时传感器初始电容为 。当动极板。当动极板2移动移动x值值后，其电容值后，其电容值Cx为为式中，式中，d0为两极板距离初始值。由式为两极板距离初始值。由式(3-2)可知，电容量可知，电容量Cx与与x不是线不是线性关系，其灵敏度也不是常数。性关系，其灵敏度也不是常数。当当xd0时时上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识此时此时Cx与与x近似呈线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器近似呈线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为的灵敏度为由式由式(3-4)可见，极距变化型电容传感器的灵敏度与极

5、距的平方成正可见，极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。比，极距越小灵敏度越高。d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为过小，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此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等云母、塑料膜等)作介质。作介质。这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，当这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，当极距变动量较大时，非线性误差要明显增大。为限制非线性误差，通极距变动量较大时，非线性误差要明显增大。为限制非线性误差，通常是在较小的极距变化范围内工作，以使输入输出特性保持近似的线常是在

6、较小的极距变化范围内工作，以使输入输出特性保持近似的线性关系。一般取极距变化范围性关系。一般取极距变化范围x/d00.1。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识实际应用的极距变化型传感器常做成差动式实际应用的极距变化型传感器常做成差动式(如如图图3-3所示所示)。上下两。上下两个极板为固定极板，中间极板为活动极板，当被测量使活动极板移动个极板为固定极板，中间极板为活动极板，当被测量使活动极板移动一个一个 x时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极距一个减小、一个增大，因此它们的电容量也都发生变化。若

7、距一个减小、一个增大，因此它们的电容量也都发生变化。若xd0，则两个平板电容器的变换量大小相等、符号相反。利用后面的，则两个平板电容器的变换量大小相等、符号相反。利用后面的转换电路转换电路(如电桥等如电桥等)可以检出两电容的差值，该差值是单个电容传感可以检出两电容的差值，该差值是单个电容传感器电容变化量的两倍。采用差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高器电容变化量的两倍。采用差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素(如环境温度变化、电如环境温度变化、电源电压波动等源电压波动等)对测量精度的影响也得到了一定的补偿。对测量精

8、度的影响也得到了一定的补偿。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高性好，灵敏度和精度极高(可达可达nm级级)，适应于较小位移，适应于较小位移(1 nm1 m)的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容(如如电缆电容、分布电容等电缆电容、分布电容等)的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。的电子电路比

9、较复杂。2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器变面积式电容传感器工作时极距、介质等保持不变，被测量的变化使变面积式电容传感器工作时极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识图图3-4所示为几种面积变化型电容传感器的原理示意图。在理想情况所示为几种面积变化型电容传感器的原理示意图。在理想情况下，它们的灵

10、敏度为常数，不存在非线性误差，即输入输出为理想的下，它们的灵敏度为常数，不存在非线性误差，即输入输出为理想的线性关系。实际上由于电场的边缘效应等因素的影响，仍存在一定的线性关系。实际上由于电场的边缘效应等因素的影响，仍存在一定的非线性误差。非线性误差。图图3-4(a)所示为平面形位移电容传感器。设两个相同极板的长为所示为平面形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为宽为a，极板间距离为，极板间距离为d，当动极板移动，当动极板移动x后，电容后，电容Cx也随之改变。也随之改变。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识电容的相对变化量和灵敏度为电容的相对变化量和灵敏

11、度为图图3-4(b)为圆柱线位移电容传感器。其灵敏度为圆柱线位移电容传感器。其灵敏度K也为一常数。也为一常数。图图3-4(c)为角位移形式的电容传感器。当动片有一角位移为角位移形式的电容传感器。当动片有一角位移时，两极时，两极板的相对面积板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化。也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识当当=0时，时，当当0时，时，由由(3-8)式可知，电容式可知，电容C与角位移与角位移呈线性关系。其灵敏度为呈线性关系。其灵敏度为上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基

12、本知识由以上分析可知，变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度由以上分析可知，变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是是一常数。一常数。在实际应用中，为了提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对在实际应用中，为了提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。图图3-5是改变极是改变极板间遮盖面积的差动电容传感器的结构图。上、下两个金属圆筒是定板间遮盖面积的差动电容传感器的结构图。上、下两个金属圆筒是定极片，而中间的为动片，当动片向上移动时，与上极片的遮盖面积增极片，而中间的为动片，当动片向上移动时，与

13、上极片的遮盖面积增大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，方向相反，大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，方向相反，实现两边的电容成差动变化。实现两边的电容成差动变化。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识3.变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。这类传感器主要用来测量两极板使其极板之间的介质情况发生变化。这类传感器主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液

14、位等。之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。如如图图3-6(a)所示，图中两平行极板固定不动，极距为所示，图中两平行极板固定不动，极距为0，相对介电常，相对介电常数为数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容为两个电容C1和和C2的并联结果，即的并联结果，即上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识式中，式中，l0、b0为极板长度和宽度，为极板长度和宽度，l为第二种电介质进入极板间的长度。为第二种电介质进入极板

15、间的长度。若传感器的极板为两同心圆筒，如若传感器的极板为两同心圆筒，如图图3-6(b)所示，其液面部分介质为所示，其液面部分介质为被测介质，相对介电常数为被测介质，相对介电常数为x;液面以上部分的介质为空气，相对介电液面以上部分的介质为空气，相对介电常数近似为常数近似为1。传感器的总电容。传感器的总电容C等于上、下部分电容等于上、下部分电容C1和和C2的并联，的并联，即即上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识其中，其中，灵敏度灵敏度由此可见，这种传感器的灵敏度为常数，电容由此可见，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面理论上与液面h呈线呈线性关系，只要测出

16、传感器电容性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位的大小，就可得到液位h。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识 3.1.2电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路电容式传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由转换电路电容式传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。测量电路的种将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量电路。类很多，下面介绍常用的几种测量电路。1.交流电桥交流电桥这种转换电路是将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，

17、这种转换电路是将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻一电容、电感一电容组成的交流电桥，电阻一电容、电感一电容组成的交流电桥，图图3-7所示为电感一电容所示为电感一电容电桥。变压器的两个二次绕组电桥。变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的四个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。作为电桥的四个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识电桥

18、的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后由仪表显示记录。变化相对应的输出，最后由仪表显示记录。2.调频电路调频电路如如图图3-8所示，把传感器接入调频振荡器的所示，把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化，振荡变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化，振荡器的振荡频率为器的振荡频率为上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识式中，式中，L为振荡回路的电感为振荡回路的电感;C为

19、振荡回路的总电容，为振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。其中，。其中，C1为振荡回路固有电容为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容为传感器引线分布电容;鱿，鱿，1 0C为传感器的电容。为传感器的电容。当被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，则，则C=C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有所以振荡器有一个固有频率关频率关0，当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C 0，振荡器频率有相应变化，此时频率为，振荡器频率有相应变化，此时频率为上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。频率的变化经过鉴频器

20、转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。这种测量电路的灵敏度很高，可测这种测量电路的灵敏度很高，可测0.01 m的位移变化量，抗干扰的位移变化量，抗干扰能力强能力强(加入混频器后更强加入混频器后更强)，缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压输出电压0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。比较复杂。3.运算放大式电路运算放大式电路如前所述，极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关如前所述，极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运

21、算放大器的反相比例运算可系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。测试装置的非线性误差得到很大的减小。图图3-9所示为电容传感器的所示为电容传感器的运算式转换电路。运算式转换电路。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识该电路为一幅值电路，高频稳幅交流电源提供载波，极距变什的信号该电路为一幅值电路，高频稳幅交流电源提供载波，极距变什的信号(被测量被测量)为调制信号，输出为调幅波。与其他转换电路

22、相比，运算式为调制信号，输出为调幅波。与其他转换电路相比，运算式电路的原理菊为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用电路的原理菊为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用“驱动电缆驱动电缆”技术来消除电缆电容的影响，电路菊为复杂且调整困难。技术来消除电缆电容的影响，电路菊为复杂且调整困难。4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路(PWM)是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。到对应于被测量变

23、化的直流信号。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识图图3-10为脉冲宽度调制电路。它由电压比较器为脉冲宽度调制电路。它由电压比较器A1、A2，双稳态触发，双稳态触发器及电容充彭电回路组成。其中器及电容充彭电回路组成。其中R1=R2,VD1、VD2为特性相同的二为特性相同的二极管，极管，C1、C2为一组差动电容传感元件，初始电容值相等，为一组差动电容传感元件，初始电容值相等，R为比为比较器较器A1、A2的参考比较电压。的参考比较电压。在电路初始状态时，设电容在电路初始状态时，设电容C1=C2=C0，当接通工作电源后双稳态触，当接通工作电源后双稳态触发器的发器的R

24、端为高电平，端为高电平，S端为低电平，双稳态触发器的端为低电平，双稳态触发器的Q端输出高电平，端输出高电平，Q端输出低电平，此时端输出低电平，此时A通过通过R1对对C1充电，充电，C点电压点电压C升高，当升高，当C R时，电压比较器时，电压比较器A1的输出为低电平，即双稳态触发器的的输出为低电平，即双稳态触发器的R端为低电端为低电平，此时电压比较器平，此时电压比较器A2的输出为高电平，即的输出为高电平，即S端为高电平。端为高电平。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识双稳态触发器的双稳态触发器的Q端翻转为低电平，端翻转为低电平，C经二极管经二极管VD1快速放电，

25、很快快速放电，很快由高电平降为低电平，由高电平降为低电平，Q端输出为高电平，通过端输出为高电平，通过R2对对C2充电，当充电，当D R时，电压比较器时，电压比较器A2的输出为低电平，即的输出为低电平，即S端为低电平，电压比较器端为低电平，电压比较器A1的输出为高电平，即双稳态触发器的的输出为高电平，即双稳态触发器的R为高电平，双稳态触发器的为高电平，双稳态触发器的Q端翻转为高电平，回到初始状态。如此周而复始，就可在双稳态触端翻转为高电平，回到初始状态。如此周而复始，就可在双稳态触发器的两输出端各产生一宽度分别受发器的两输出端各产生一宽度分别受C1、C2调制的脉冲波形，经低通调制的脉冲波形，经低

26、通滤波器后输出。当滤波器后输出。当C1=C2时，线路上各点波形如时，线路上各点波形如图图3-11(a)所示，东所示，东B两点间的平均电压为零。但当两点间的平均电压为零。但当C1、C2值不相等时，如值不相等时，如C1 C2，则，则C1的充电时间大于的充电时间大于C2的充电时间，即的充电时间，即t1 t2，电压波形如，电压波形如图图3-11(b)所示。所示。上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识式中，式中，H为触发器输出的高电平值为触发器输出的高电平值;t1为电容为电容C1的充电时间的充电时间;t2为电容为电容C2的充电时间。设电阻的充电时间。设电阻R1=R2，经低

27、通滤波器后，获得的输出电压平，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值为均值为上一页 下一页返回任务任务1 电容式传感器基本知识电容式传感器基本知识由上式可知，差动电容的变化使充电时间，由上式可知，差动电容的变化使充电时间，t1、t2不相等，从而使双不相等，从而使双稳态触发器输出端的矩形脉冲宽度不等，即占空比不同。稳态触发器输出端的矩形脉冲宽度不等，即占空比不同。5.二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥图图3-12所示是二极管双所示是二极管双T形交流电桥电路原理图。形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提是高频电源，它提供幅值为供幅值为Ui的对称方波，的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两

28、个二极管，为特性完全相同的两个二极管，R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差动电容。为传感器的两个差动电容。上一页返回任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。含量等参数的测量。1.电容式接近开关电容式接近开关如如图图3-13所示为电容式接近开关的结构示意图。检测极板设置在接近所示为电容式接近开关的结构示意图。检测极板设置在接近开

29、关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量间的电容量C非常小，它与电感非常小，它与电感L构成高品质因数构成高品质因数(Q)的的LC振荡电路，振荡电路，Q=1/(CR)。当被检测物体为地电位的导电体。当被检测物体为地电位的导电体(如与大地有很大分布如与大地有很大分布电容的人体、液体等电容的人体、液体等)时，检测极板对地电容时，检测极板对地电容C增大，增大，LC振荡电路的振荡电路的Q值将下降，导

30、致振荡器停振。值将下降，导致振荡器停振。下一页返回任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使使LC振荡电路的振荡电路的Q值降低。对能量损耗较大的介质值降低。对能量损耗较大的介质(如各种含水有机如各种含水有机物物)，它在高频交变极化过

31、程中是需要消耗一定能量，该能量是由，它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量，该能量是由LC振荡电路提供的，必然使振荡电路提供的，必然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测物接近的程度。的大小，可大致判定被测物接近的程度。上一页 下一页返回任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2.电容式油量表电容式油量表图图3-14所示为电容式油量表的示意图，可以用于测量油箱中的油位。

32、所示为电容式油量表的示意图，可以用于测量油箱中的油位。在油箱无油时，电容传感器的电容量在油箱无油时，电容传感器的电容量CX=CX0，调节，调节RP的滑动臂位于的滑动臂位于0点，即点，即RP的电阻值为的电阻值为0，此时，电桥满足，此时，电桥满足C0/CX=R1/R2的平衡条件，的平衡条件，电桥输出电压为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角电桥输出电压为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角=0。3.电容式差压传感器电容式差压传感器图图3-15所示为电容式差压传感器结构示意图。该传感器主要由一个活所示为电容式差压传感器结构示意图。该传感器主要由一个活动电极、两个固定电极和三个电极的引出线组成。动

33、电极、两个固定电极和三个电极的引出线组成。上一页 下一页返回任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件;固固定电极为两块中凹的玻璃圆片，在中凹内侧，即相对金属膜片侧镀上定电极为两块中凹的玻璃圆片，在中凹内侧，即相对金属膜片侧镀上具有良好导电性能的金属层。具有良好导电性能的金属层。当被测压力通过过滤器当被测压力通过过滤器6进入空腔进入空腔5时，金属弹性膜片时，金属弹性膜片1在两侧压力差在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和两个镀金玻璃圆片作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和

34、两个镀金玻璃圆片2之间的电之间的电容量便发生变化，由此便可测得压力差。这种传感器分辨率很高，常容量便发生变化，由此便可测得压力差。这种传感器分辨率很高，常用于气、液的压力或压差及液位和流量的测量。用于气、液的压力或压差及液位和流量的测量。上一页 下一页返回任务任务2 电容式传感器的应用电容式传感器的应用4.电容测厚仪电容测厚仪电容式测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的。它的变换电容式测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的。它的变换器就是电容式厚度传感器，其工作原理如器就是电容式厚度传感器，其工作原理如图图3-16所示。在被测带材的所示。在被测带材的上下两边各置一块面积相等，与带材

35、距离相同的极板，这样极板带材上下两边各置一块面积相等，与带材距离相同的极板，这样极板带材就形成两个电容器就形成两个电容器(带材也作为一个极板带材也作为一个极板)。把两块极板用导线连接起。把两块极板用导线连接起来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一个极板，其总电容来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一个极板，其总电容C为为:上一页返回任务任务3 电容式传感器知识扩展电容式传感器知识扩展电容器电容器指纹识别指纹识别指纹识别口前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系指纹识别口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。它的优点是体积小、成本低、成像精度高，而且耗电量很小，

36、因统。它的优点是体积小、成本低、成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。此非常适合在消费类电子产品中使用。19世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征，一是两个不同手指世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，二是指纹纹脊的式样终生不改变。这个研究的指纹纹脊的式样不同，二是指纹纹脊的式样终生不改变。这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用，成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用，18%年阿根廷首次应用，年阿根廷首次应用，然后是然后是1901年的苏格兰，年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别世纪初其他国家也相继应用到犯罪

37、鉴别中。中。指纹由多种指纹由多种“脊脊”状图形构成，类似于山脊。由于纹路不连续，脊状状图形构成，类似于山脊。由于纹路不连续，脊状图形多种多样，诸如分岔、弧形、交叉、三角等。图形多种多样，诸如分岔、弧形、交叉、三角等。下一页返回任务任务3 电容式传感器知识扩展电容式传感器知识扩展电容器电容器指纹识别指纹识别识别软件将这些脊状图形进行坐标定位，进而从坐标位置上标示出数识别软件将这些脊状图形进行坐标定位，进而从坐标位置上标示出数据点，有点像初中几何画函数图的步骤。这些数据点同时具有据点，有点像初中几何画函数图的步骤。这些数据点同时具有7种以种以上的唯一性特征，由于通常情况下一枚指纹有上的唯一性特征，

38、由于通常情况下一枚指纹有70个节点，通过软件计个节点，通过软件计算会产生大约算会产生大约490个数据。个数据。硅电容指纹图像传感器是最常见的半导体指纹传感器，如硅电容指纹图像传感器是最常见的半导体指纹传感器，如图图3-17所示，所示，它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100 000个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极，充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则个金属电极，充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极，

39、传感面形成两极之间的介电层。作为另一极，传感面形成两极之间的介电层。上一页 下一页返回任务任务3 电容式传感器知识扩展电容式传感器知识扩展电容器电容器指纹识别指纹识别由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在纹路深浅的存在)，导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，就可以获得具有灰度级的指纹图像。就可以获得具有灰度级的指纹图像。指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤

40、层，直达手指皮肤的活体层面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层真皮层)，直接读取指纹图，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。上一页返回任务任务4 电容式传感器项目实训电容式传感器项目实训由集成由集成电路制作的电容感应式控制电路电路制作的电容感应式控制电路1.实训目的实训目的通过本实训要求学生掌握电容感应式控制电路的组成，正确选用电容通过本实训要求学生掌握电容感应式控制电路的组成，正确选用电容式传感

41、器式传感器;能调试电容感应式控制电路，进行简单的故障处理。能调试电容感应式控制电路，进行简单的故障处理。2.工作原理工作原理电路主要由一个四一电路主要由一个四一2输入输入“与非与非”门集成电路门集成电路CD4093内部电路见内部电路见图图3-18(b)组成，如组成，如图图3-18(a)所示。所示。R1、C1及及CD4093的一个与非门的一个与非门(、脚，、脚，IC1)构成构成400 Hz方波振荡器，振荡器输出的方波分成方波振荡器，振荡器输出的方波分成两路两路:一路直接送入一个与非门电路一路直接送入一个与非门电路(、脚，、脚，IC2);另一路经电另一路经电容容C2送入一个与非门送入一个与非门(、

42、脚，、脚，IC3)的一个输入端。由于的一个输入端。由于IC2接接成非门的形式，所以它的输入、输出端电位相差成非门的形式，所以它的输入、输出端电位相差180,IC2输出的信输出的信号经号经C3、C4藕合至藕合至IC3的另一个输入端。的另一个输入端。下一页返回任务任务4 电容式传感器项目实训电容式传感器项目实训由集成由集成电路制作的电容感应式控制电路电路制作的电容感应式控制电路由于由于IC3两个输入端的电平相同，相位相反，因此只要两个输入端的电平相同，相位相反，因此只要IC1正常振荡，正常振荡，IC3的两个输入端至少有一个为低电平，故的两个输入端至少有一个为低电平，故IC3输出端为稳定的高电平，输

43、出端为稳定的高电平，由于由于C6的作用，的作用，VT1截止。但是如取消截止。但是如取消IC3任何一个输入端的输入信号任何一个输入端的输入信号或使该信号幅度降到低于门电路的输入阂值电平时，或使该信号幅度降到低于门电路的输入阂值电平时，IC3就会输出方就会输出方波信号。波信号。当有导体接近感应电极片时，就会使由当有导体接近感应电极片时，就会使由C2藕合到藕合到IC3输入端脚的部输入端脚的部分信号被分流到地，若被分流后的信号幅度低于与非门输入端的阂值分信号被分流到地，若被分流后的信号幅度低于与非门输入端的阂值电平，电平，IC3就会输出方波信号，该信号经就会输出方波信号，该信号经VD1、VD2整流后就

44、会使开关整流后就会使开关管管VT1导通，接通继电器的电源使之吸合。导通，接通继电器的电源使之吸合。上一页 下一页返回任务任务4 电容式传感器项目实训电容式传感器项目实训由集成由集成电路制作的电容感应式控制电路电路制作的电容感应式控制电路3.主要元件选择主要元件选择(1)IC选用选用CD4093集成芯片。集成芯片。(2)VD1、VD2、VD3选用选用IN4148。(3)VT选用选用9014晶体三极管。晶体三极管。(4)继电器选用继电器选用12VJQC一一3FF型。型。(5)感应电极片感应电极片10 cm x 14 cm。(6)其他元件如图标示，无特殊要求。其他元件如图标示，无特殊要求。4.制作调

45、试制作调试(1)自选电路板自选电路板(如万能板如万能板)，将元器件焊接在电路板上。，将元器件焊接在电路板上。上一页 下一页返回任务任务4 电容式传感器项目实训电容式传感器项目实训由集成由集成电路制作的电容感应式控制电路电路制作的电容感应式控制电路(2)感应电极片可以用金属易拉罐剪制。感应电极片可以用金属易拉罐剪制。(3)电容电容C4是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵敏度工作时，是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵敏度工作时，可以先调节可以先调节C4使继电器刚好吸合，再调节使继电器刚好吸合，再调节C4使继电器刚好断开，然后使继电器刚好断开，然后用高频蜡或绝缘漆把用高频蜡或绝缘漆把C4封牢即

46、可。封牢即可。(4)电路所用元件都是普通元件，由于电路所用元件都是普通元件，由于CD4093为为CMOS集成电路，很集成电路，很容易被电烙铁所带的静电击穿，所以在制作时，最好先焊一个集成电容易被电烙铁所带的静电击穿，所以在制作时，最好先焊一个集成电路插座，待电路经检查无误后再把路插座，待电路经检查无误后再把CD4093插入插座。插入插座。上一页返回图图3-2变极即式电容传感器的特性曲线变极即式电容传感器的特性曲线返回图图3一一3差动结构变极即电容传感器差动结构变极即电容传感器返回图图3-4面积变化型电容传感器原理图面积变化型电容传感器原理图返回图图3一一5金属圆筒差动电容结构金属圆筒差动电容结

47、构返回图图3-6介质变化型电容传感器介质变化型电容传感器返回图图3一一7交流电桥转换电路交流电桥转换电路返回图图3一一8调频电路调频电路返回图图3一一9运算放大式电路运算放大式电路返回图图3一一10脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路返回图图3-11各点的电压波形各点的电压波形返回图图3-12二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥返回图图3一一13圆柱形电容式接近开关的结构圆柱形电容式接近开关的结构示意图示意图返回图图3一一14电容式油量表示意图电容式油量表示意图返回图图3一一15电容式差压传感器电容式差压传感器返回图图3一一16电容测厚仪结构示意图电容测厚仪结构示意图返回图图3一一17电容指纹识别器电容指纹识别器返回图图3一一18电容感应式控制电路原理图电容感应式控制电路原理图返回