电容式传感器 (Capacitive Sensors)在线视频

好下面我们接着讲的内容是

电容式传感器

那么下面这些图片呢

就是实物的电容式传感器的照片

那么接下来我们还是从

实例谈电容式传感器

大家在座的各位

可能都用过Iphone的手机

Iphone5也好

Iphone6也好

那么它的指纹识别

就是采用的电容式传感器

那么用电容式传感器

可以实现对指纹的精密的识别

苹果还为这个技术

提交了一份长达612页的

一个专利

未来呢将应用于在线的支付

安全识别等等方面

在旁边这个图当中

就是电容式传感器应用的

一个实际的情况

接下来我们再看看

身边的电容式传感器

我们知道这张图片当中

就是一个麦克风

这个麦克风它的构成当中

很重要的一个方面

就是采用了电容式传感器

图当中就是麦克风的组成

电容式传感器

其实起到了非常重要的

拾音的作用

那么接下来我们看看

什么是电容式传感器

首先我们看一下

电容式传感器它的定义

电容式传感器定义是这么讲的

说是采用电容器作为传感元件

将不同的物理量

变化转换为电容量的变化

旁边这个图4.41就是平板电容

那么从它的分类来看

有这么三种

一种是面积变化型

另外一种是介质变化型

那么最后一种是间隙变化型

那么它的基本原理是这样的

假如说我们忽略边缘的效应

平板电容器的电容

可表达为4.37式

这个式子是一个基本的

电容的表达式

也就是C=ε0εA/δ

那么在这个式子当中

这几个参数

我们大家应该记得住的

首先是A

我们把它称之为极板的面积

εO是真空的介电常数

这个介电常数呢

通常是8.85×10的负12次方

Ε呢是极板间介质的介电常数

通常在空气当中呢ε是等于1的

δ是两个极板间的距离

那么如果说

传感器某一个极板是固定的话

那么在图2当中

我们可以看到

有一个定极板

一个是动极板

那么使另外一个极板

要移动的时候

这个时候实际上

就改变了它的间隙δ

由于这个间隙的改变

就会引起电容的变化

如果我们假设间隙

有一个改变量Δδ

这个时候我们把上面4.37式

就可以改换为4.38式

那么在这个式子当中

我们可以看到

下面的δ+Δδ

增加了这样的一个量

就是Δδ

那把上面的式子

做泰勒级数的展开

我们就可以得到4.39式

C1等于后面这整个的表达式

那么在这个图4.42当中

就是一种变间隙式电容传感器

它的基本原理我们可以看到图b

就是c和δ之间的特性曲线

也就是电容

和间隙之间的特性曲线

凡是谈到传感器

我们都要谈到

对于传感器而言

非常重要的一个指标

就是所谓灵敏度

这样的一个概念

灵敏度对于电容式传感器而言

它是这样定义的

是S等于ΔC比上Δδ

它等于的是什么呢

等于负的ε0乘以ε

再乘以A

比上δ的平方

应该说在实际的应用当中

要提高传感器的灵敏度

通常是采用差动式的结构

大家可以注意到

前面的电感式传感器

也谈到了采用差动式这种结构

在电容式传感器当中

我们依然谈到了

要采用差动式的结构的方式

根据上面这样的情况

我们由此可以得到

它的灵敏度是什么呢

是S=ΔC/Δδ

那么4.43式得到的结论

是S等于负的2ε0乘以ε

再乘以A

比上δ的平方

那么这个式子当中

我们可以看到

这几个物理量

和S灵敏度之间的关系

当变极距式的这种电容式传感器

它的灵敏度与间隙的平方值

我们可以看到它是成反比的

那么间隙越小的时候

灵敏度就越高

当灵敏度提高的时候

我们也可以看到

它的非线性的误差也会增大

因此说如何去找到一个平衡点

既让它的间隙测量又大

那么相对的大

又要使它的灵敏度要相对高

这是一个在实际应用当中

应该注意的问题

因此我们可以得到一个结论

一般来说

规定这种传感器

在比较小的范围内来工作

那么同时呢

可以减少它的非线性的误差

提高它的测量的准确性和灵敏度

接下来我们看看

电容式传感器的分类

一种是极距变化型的

还有一种是面积变化型的

面积变化型当中

有角位移型的和平面线位移型的

以及柱面线位移型传感器的

还有一种就是介质变化型的

那么这是电容式传感器的

几个重要的分类

那么接下来我们看一看

面积变化型的这种传感器

那么有a、b、c这三种形式

一种是平板线位移式的

还有一种是转角式的

第三种呢是圆柱体线位移式的

从这个图当中

我们可以看到

采用改变电容器极板面积

应该说是另一种

获取电容传感器输出变化的

一种很重要的方法

那么我们具体分析一下图a

它是通过线型的位移改变

来改变电容器的极板的面积的

这种形式

那么当动电极在x方向

有一个位移ΔX的移动的时候

那么极板的面积就会发生改变

那么也就是ΔA

那么电容的改变量

将变化为ΔC

ΔC等于什么呢

等于ε0εbΔx/δ

这个时候

它的灵敏度

我们可以得到4.46式

也就是S等于什么呢

等于ε0εb/δ

由此可见

该灵敏度为一常数

输入与输出仍为线性关系

那么接下来我们再看看图b

它是一个转角型的这种结构

当改变两个极板间的相对转角的时候

两个极板的相对公共面积

就会发生变化

那么这个时候

它的公共的覆盖面积

A等于α再乘以r的平方除以2

我们可以得到4.47式

那么其中这个α

是公共覆盖面积对应的中心角

这个r是半圆形的极板的半径

如果当这个转角发生变化的时候

也就是Δα发生变化的时候

我们可以得到ΔC

就是4.48式

同样我们可以得到这种情况下

电容器的灵敏度是S

那么这个时候S=ΔC/Δα

那么这个时候

灵敏度依然为常数

同时它的输入和输出

也是为一个线性的关系

接下来我们再看一看

圆柱体形的线性位移的结构

这种结构

其中圆周为固定的

圆柱在其中移动

那么我们利用

高斯的积分就可以得到

电容器的电容的量

就是C=2πε0比上ε乘以X

再比上它的对数

我们可以到4.50式

其中这个大写的D

是圆周的内径

小写的d是圆柱的外径

两者覆盖的长度x的变化

为Δx的时候

电容变化量

就可以得到4.51式ΔC

这个时候它的

电容式传感器的灵敏度是S

我们可以得到的是4.52式

接下来我们再看看

介质变化型的传感器的分类

那么一种是极板上覆盖有介质

另外一个介质是可以移动的

那么我们从图a和图b当中

就可以看到

这两种传感器

是介质变化型的传感器的情况

下面我们再介绍一下

对于传感器而言

特别是电容式传感器

它的测量电路有这么四种

一种是电桥电路

另外一种是谐振电路

那么第三种是调频的电路

最后一种呢是运算放大器电路

在图当中

我们可以看到这几种测量电路的

具体的表现的形式

那么首先我们看一下

电容式传感器所测出的电容

及电容的变化量

一般来都说是非常小的

因此呢我们首先

要对它进行适当的放大

把它转换成电压或者电流

或者频率等等的输出量

那么我们首先看一下

运算放大器电路

运算放大器电路

它的输出电压eO是等于什么呢

它的负的输入电压

乘以C0比上CX

那么我们把公式4.37

代入到4.58式当中

我们可以得到4.59式

也就是e0

在4.59式当中

我们可以看到

eI是信号源的电压

e0是运算放大器输出的电压

C0是一个固定的电容

Cx是传感器的等效电容

在4.50这个图当中

就是运算放大器式的电路

接下来我们看一下

电桥测量的电路

图4.51表示的是

文氏式电容测量电桥

那么这种电路呢

是当它的电容传感器

C2有变化的时候

电桥相应也会有输出的变化

第三种是调频电路

调频电路呢

是电容传感器

作为振荡回路的一部分

那么调频振荡器

它的谐振频率f

那我们可以看到是4.66式

f等于什么呢

1比上2π根号下LC

其中这个L是振荡回路电感

当被测量

使电容值发生变化的时候

那么振荡器的频率

也会发生变化

其输出呢就要经过限幅

鉴频和放大后

才能够得到输出的电压

那么4.53这个图

就是表明了

调频电路工作的原理的基本形式

接下来我们分析一下

对于电容式传感器而言

它的缺点是什么

首先我们可以看到

电容式传感器在使用过程当中

它是非常容易受到

连接电缆线所形成的

寄生电容的影响

那么在图4.54当中

可以看到

如何采用驱动电缆

它的工作原理

来去消除寄生电容的影响的

具体的方法是这样的

将后续的电路的前级放置在

紧靠电容传感器的这个地方

那么让它尽量的减少

电缆长度和位置的变化带来的影响

那么接下来

就是采用等电位传输

我们也把它称之为

驱动电缆这种技术

来去消除寄生电容

对电容式传感器的影响