传感器原理及应用全套配套课件PPT动画教学大纲第4章 电容式传感器.ppt 104页

'第4章电容式传感器传感器原理与应用 主要内容：4.1电容传感器工作原理4.2电容传感器输出特性4.3电容传感器测量电路4.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用第4章电容式传感器 概述传感器原理及应用第4章电容式传感器传统电容式传感器主要用于位移、角度、振动、加速度等机械量精密测量。现代电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。应用实例（电容测深度、角度）角度测量液位测量 传感器原理及应用第4章电容式传感器电容式接近开关ATM专用人体接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器件,可准确探知附近人物的靠近，是目前作为防盗报警和状态检测的最佳选择。采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出，直接触发报警录像。探测人体接近距离远近可调，可调节半径为(约)0-5米。 传感器原理及应用第4章电容式传感器电容式触摸板(屏)及按键对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从电阻式转移至电容式触摸屏技术。2011年前，近25%的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触摸屏。 传感器原理及应用第4章电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触摸需要系统软件的支持，所以不支持多点触摸的也有可能还是电容屏。方法二：有触摸笔的必定是是电阻屏手机方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。 传感器原理及应用第4章电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机电容屏触控工作方式：其触摸屏由一块四层复合玻璃屏构成，并在表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在触摸屏上时，由于人体电场和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。 传感器原理及应用第4章电容式传感器如何区分电容屏屏幕手机和电阻屏屏幕手机电阻屏触控工作方式：电阻触摸屏的屏体是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层导电层(ITO膜)，上面再盖有一层经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开。当手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点的XY坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作；因此这种技术必须是要使用硬物施力到屏幕上，才能获得触控效果。 传感器原理及应用第4章电容式传感器电容式压力变送器电容式差压传感器电容式接近开关电容式传感器的特点电容器容量小(几十～几百微法)，输出阻抗高;极板静电引力小，工作所需作用力很小；可动质量小，固有频率高，动态响应特性好；功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。 第4章电容式传感器4.1电容传感器工作原理传感器原理及应用电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。电容传感器工作原理可以用平板电容说明：X 第4章电容式传感器4.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用改变式中S—极板面积，称变面积型电容传感器—极板距离，称变极距型电容传感器—介电常数，称变介质型电容传感器其中：—真空介电常数—空气介质的相对介电常数近似为 传感器原理及应用第4章电容式传感器变极距型电容传感器 传感器原理及应用第4章电容式传感器变面积型电容传感器 传感器原理及应用第4章电容式传感器变介质型电容传感器 传感器原理及应用第4章电容式传感器当分母<<1时，用泰勒级数展开初始电容，极距减小△δ时，电容量增加△C4.2电容传感器输出特性1.变极距型（δ） 传感器原理及应用第4章电容式传感器1.变极距型（δ）做线性处理(忽略高次项)后，电容相对变化量与电容极板的极距变化成正比定义电容传感器灵敏度为 第4章电容式传感器传感器原理及应用变极距型电容传感器灵敏度与初始极距有关要提高传感器灵敏度k0应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；另外，初始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；非线性误差随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移，限制了测量范围；为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。讨论： 4.2电容传感器输出特性传感器原理及应用第4章电容式传感器差动结构的电容特征方程式为：差动结构的平板电容设电容的动极板移动时C1增加，C2减小，且△C1=△C2电容的总的变化量 传感器原理及应用第4章电容式传感器电容相对变化量忽略高次项，电容相对变化量为传感器（差动式）灵敏度相对非线性误差为差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；非线性误差减小（多乘因子）。结论：差动结构的平板电容 传感器原理及应用第4章电容式传感器 2.变面积型（S）传感器原理及应用第4章电容式传感器平板电容的初始电容值为电容的相对变化量与位移成正比平板变面积型电容传感器灵敏度当动极板移动Δx后，两极板间电容量为 2.变面积型（S）传感器原理及应用第4章电容式传感器（平板）变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；讨论：输出特性为线性关系适合大位移测量可实现直线位移、角位移测量。 第4章电容式传感器3.变介电常数式（ε）传感器原理及应用变介电常数式电容传感器与传感器结构有关，分以下几种情况：测介质厚度(纸张、薄膜厚度）_图a测介质位移（介质位置变化）_图b测介质材料（介电常数，如介质材料、液位)_图c测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d 第4章电容式传感器传感器原理及应用测厚度电容与介质参数之间关系与极距的几何尺寸有关：介电常数包括被测介质和空气介质介质不变，极板面积S和极距δ一定，改变介质厚度d，可设计为测厚仪器；测量介质（ε），可设计为介电常数的测试仪器； 第4章电容式传感器传感器原理及应用测位移介质的厚度和材料不变，电容与介质参数之间的关系与介质在极板中的位置有关：式中：a、b分别为平板电容的边长测介电常数ε（液位检测）通常根据容器的形状计算无介质时，容器C0为传感器静电容，中心检测电极为电容器的一个极板，外侧（或容器罐）是电容器的另一个极板。 传感器原理及应用第4章电容式传感器燃油增加，hx增大，△C也增大；燃油减少，hx减少，△C也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。测液位——油量测量 传感器原理及应用第4章电容式传感器测液位测量管道液位高度 传感器原理及应用第4章电容式传感器测液位 4.3测量电路1)电容传感器的等效电路传感器原理及应用第4章电容式传感器电容传感器的等效电路包括:传感器电容C0；A、B两端导线分布电容Cp，Cp>C0。传输线的电感L0、电阻R（小）；极板等效漏电阻Rg；低频时Xc大，L、R可忽略；高频时Xc小，L、R不可忽略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，这时相当有一LC串联电路，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小，系统无法工作。 传感器原理及应用第4章电容式传感器解决的方法:屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输；驱动电缆技术，连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。驱动电缆技术是一种等电位屏蔽方法。这一方法可在10m距离不影响传感器性能，保证电容1pF时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。 电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。传感器原理及应用第4章电容式传感器变压器式交流电桥测量系统电容传感器为两个桥臂为差动形式代入：4.3测量电路2)电桥电路交流电桥的输出电压为 第4章电容式传感器2)电桥电路传感器原理及应用将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系极板在中间位置时动片上移时两电容分别变化为 传感器原理及应用第4章电容式传感器交流电桥的多种形式 第4章电容式传感器3)二极管双T型电路传感器原理及应用UE高频对称方波电源，D1、D2二极管，特性相同；C1、C2传感器差动电容；R1、R2为固定电阻，RL负载。一个周期内RL上的平值电压为一个周期内负载RL上输出电压URL与电容的差值(C1-C2)成正比。式中：M为常数；UE、f为电源电压幅值和频率。 第4章电容式传感器传感器原理及应用工作原理分析t>0电路接通，C1充电至UC1=UE；双T型电路动画3）二极管双T型电路负载上电流：IL’=I1’（放电）+I2’（电源）t=t2，UE正半周，D1导通，D2截止C1=C2时IL=IL’大小相等方向相反一个周期内负载电阻上电压平均值为t=t1，UE负半周，D1截止，D2导通负载上电流：IL=I1（电源）+I2（放电） 4）差动脉冲调宽电路传感器原理及应用第4章电容式传感器电路原理框图电路组成A1、A2比较器；FF双稳态触发器作输出;VD1、VD2与电阻R1、R2组成充放电回路；Uf参考直流电压，与C、D电压比较;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。 传感器原理及应用第4章电容式传感器波形图C1=C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1≠C2，输出平均电压U0≠0，若C1＞C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差：低通输出式中：U1为触发器输出高电平值4.差动脉冲调宽电路 传感器原理及应用第4章电容式传感器4.差动脉冲调宽电路T=RC若R1=R2输出电压与两个传感器电容的差值成正比变面积型，输出与两电容的面积差值成正比变极距型，输出与两电容的极距差值成正比输出电压与两个充放电回路时间常数的差成正比 5.运算放大器式电路传感器原理及应用第4章电容式传感器C0固定电容，Cx传感器电容，设K为理想运放，a为虚地；设开环放大器有高的输入阻抗输入输出对于单极板平板电容器传感器，输出电压U0与机械位移δ成线性关系，解决了单电容的非线性关系问题。输出 6．调频电路传感器原理及应用第4章电容式传感器谐振曲线调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。 第4章电容式传感器4.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用结构：球型、平面型差动电容传感器电容传感器盒膜片结构凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PP弹性膜片(动电极)固定电极1）电容式压力传感器 第4章电容式传感器1）电容式压力传感器传感器原理及应用球型结构：金属弹性膜片—动片（测量膜）；两个玻璃球面上镀有金属—定片；膜片左右两侧充满硅油。工作过程：两室分别承受低压PL和高压PH，硅油能将压差传递到测量膜片。电容传感器盒膜片结构 第4章电容式传感器1）电容式压力传感器传感器原理及应用当PH=PL时C1=C2；膜片处于中间位置，当有差压作用时，测量膜片产生形变：PH>PL时，膜片向PL弯曲，C1C2；前极电路将这种电容变化通过电路转换，变为电压或电流的变化 1）电容式压力传感器传感器原理及应用第4章电容式传感器工业生产自动控制中，膜片式压力计是最常用的一种，电容膜片压力传感器分为：计示压力计（表压），绝对压力计，压差计。计示压力计（表压）以大气为基准，测管道、箱内、罐中压力计示压力计（表压） 1）电容式压力传感器传感器原理及应用第4章电容式传感器绝对压力计以绝对真空为基准，测量蒸发罐、反应罐中的压力；压差计测两个压力的差值绝对压力计 传感器原理及应用第4章电容式传感器传感器基准接大气低压阀高压阀选通阀管道传感器接真空低压阀高压阀管道反应罐计示压力计（表压）绝对压力计1）电容式压力传感器基准 2）电容板材在线测厚仪传感器原理及应用第4章电容式传感器电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路输出与带材厚度关系为： 2）电容板材在线测厚仪传感器原理及应用第4章电容式传感器 3）电容传感器称重、测振动位移、加速度传感器原理及应用第4章电容式传感器电容式称重传感器F绝缘材料定极板动极板极板支架弹性体在弹性钢体上，高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小。配接调频式电路，就会引起振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码，传输到显示部分。称重 3）电容传感器称重、测振动位移、加速度传感器原理及应用第4章电容式传感器测振动位移 3）电容传感器称重、测振动位移、加速度传感器原理及应用第4章电容式传感器弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板；当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移；两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化，其中一个变大，另一个变小。测加速度 4）电容传声器原理传感器原理及应用第4章电容式传感器PC机上的麦克风是一个电容传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，由振动膜片、钢性极板、电源和负载组成。当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，完成声电转换。 4）电容传声器原理传感器原理及应用第4章电容式传感器计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，工作原理和电容传声器相同，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。 5）力平衡式加速度传感器传感器原理及应用第4章电容式传感器力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量等。力平衡式传感器属惯性系统，是典型的二阶机械系统，固有频率ω和阻尼比ξ决定于惯性元件的阻尼系数和弹性系数，惯性元件的传递函数为： 5）力平衡式加速度传感器传感器原理及应用第4章电容式传感器目前力平衡式传感器系统主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，可分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。YZX 5）力平衡式加速度传感器传感器原理及应用第4章电容式传感器力平衡式加速度传感器结构：M惯性元件、C1、C2位移传感器、磁力矩器、电容动片固定在质量块上。力矩器的反馈力产生与加速度有关的电流电压惯性力β-力矩器的机电偶合系数工作原理：壳体加速度当Fx（惯性力）=Fβ（反馈力）时，位移y=0。电容的差值可反映位移的大小。 6）电容式料位计第4章电容式传感器可用于水泥、化工、罐装等检测电极为电容的一个极板，罐子外壳为电容的另一个极。传感器原理及应用Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1hxH第一项为传感器静电容为C0 SDK射频电容式物位开关由仪表和探极两部分组成。利用被测物料的介电常数与空气不同，当仓内物位发生变化时引起探极对仓壁间的电容量变化；且变化值超过设定值时，限位开关内的继电器动作，输出一个开关量达到控制／报警的目的。工业用电容式料位计射频电容式物位限位开关 几种不同探极形式的限位开关 工作原理如图示，两个正对的金属板形成了一个电容器。限位开关安装于仓体上时，探极和仓壁分别相当于电容器的两个极板。电容量为C=K·A·ε/d其中：Ｋ为系数Ａ为极板面积d为极板间距离ε为极板间介质的介电常数d SDK仪表及显示SDK测量电容是以频率f为显示在式C=K·A·ε/d中K、A、d为常数，C决定于ε的大小ε、Ｃ、f关系为：ε↑、Ｃ↑、f↓报警点设置即动作频率的设置技术参数工作环境：相对湿度≤98%温度-10℃～60℃/-30℃～85℃；电源电压：AC220（1±10%）V50HzDC24V功　耗：≤3W输出信号：继电器接点输出（触点容量3A/250VAC或30VDC）输出延时：内部输出延时1～3秒安装结构：一体化结构防爆标志：ExdⅡBT4过程连接：R1/R1.5管螺纹。电气连接:G1/2 第4章电容式传感器传感器原理及应用测量转换电路安装在探头内部 液位检测 UQK系列浮球液位控制器当液位达到高、低极限位置时，控制器输出触点开关信号，实现液位的报警或设备控制。自检式液位控制器除具备上述功能外，还可在设备运行状态下，对控制器进行自检，以确保控制器及系统安全运行。其他形式的料位计传感器原理及应用第4章电容式传感器 伺服式液位计1、步进电机2、力传感器3、测量钢尺4、计量浮子5、机械传动部件6、智能电路基本组成部分 主要部件—计量浮子多功能浮子：用来感受介质产生的浮力。根据需要在浮子内装入压力传感器、温度传感器、水位检测器、超大规模集成电路、电容元件等；本浮子采用电容充电方式为检测电路提供能量，每次通讯时由液位计对电容进行充电。根据需要与液位计无线通讯。 工作原理—液位测量测得浮子在空气中重力F空和在介质中的浮力F油。计算设定值（F空－F油）/2步进电机转动使浮子到达设定值对应的位置。通过测量钢带测出此位置的数值。 工作原理—密度测量采用浮子内安装的压力变送器测量密度。P=ρSLP某深度测得的压力S接受压力的面积L测量点深度浮子停在特定的位置并测量浮子的重量F油。知道浮子的体积V，在空气中的重量F空，在此特定位置的相对密度就可以被计算出来。ρ=（F空－F油）/V 工作原理—温度、压力测量液位计将浮子从液位提到复位点，浮子接收到读综合参数的命令后向液位计发送校验正确命令，液位计根据预先约定在确定的时间内浮子下降到固定高度。当约定的时间到后，浮子内CPU读取一次压力和温度的数据并保存在内存中。当一次定时结束后浮子继续下降到另一个位置，浮子内CPU在预定的时间读取第二个位置处的压力和温度数据。依次类推采集到10个（压力和温度）数据，采集完毕。根据采集并预存在液位计内的10个点对应位置的温度和压力，可以计算出平均温度和平均密度 工作原理—界位测量液位计进入读水位的操作，工作过程同读温度和压力一致。读完200个水位点的值后；根据200组浮子位置对应的电导值，液位计分析出界面所在的位置。 自动计量系统内浮顶罐安装 ZFLM-80伺服式液位计网络图1×RVVP2×2.51×RVVP2×0.5 4.5电容式集成传感器传感器原理及应用第4章集成化智能传感器硅电容式集成传感器大体由压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分组成；其中压力敏感的电容器是核心部件，压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。从原理上讲，电容式集成传感器与传统的结构型电容传感器没有区别，只是集成式电容传感器采用了集成工艺，特点是电容尺寸很小，并将电容器与信号处理电路集成在一起； 传感器原理及应用硅梁芯片第4章集成化智能传感器4.5电容式集成传感器 传感器原理及应用结构：是在玻璃基底上镀一层金属铝（AL）膜做电容器的一个极板，在硅（Si）片上是电容器的另一个极板，硅膜厚几十微米。硅电容式集成传感器结构电容器电容量由两个电容极板面积和间距决定，极板间介质为空气，当硅膜片受力变形时电容的变化量△C与压力差△P大小有关。组成：硅压力敏感电容器、转换电路、辅助电路；核心部分是敏感电容器，敏感元件是电容压敏元件。4.5.1硅电容式集成传感器第4章集成化智能传感器1）硅电容式集成传感器结构原理 传感器原理及应用实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，分别为受力电容、参考电容，参考电容不受外力作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在受力变形时，电容两极间距变化引起电容量变化。压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的10倍。从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。第4章集成化智能传感器1）硅电容式集成传感器结构原理 传感器原理及应用电路由交流激励Up驱动信号，再把压敏电容的变化转换成直流电压输出；压敏电容Cx由四个二极管隔离，使四个二极管之外的杂散电容不会对它发生影响。把Cx、C0、VD1～VD4集成在一起，构成理想的电容式压力敏感电路。二极管检波电路第4章集成化智能传感器2.硅电容式集成传感器内部电路 传感器原理及应用二极管检波电路第4章集成化智能传感器2）硅电容式集成传感器内部电路 传感器原理及应用胎压监测传感器MPXY8020A内部电路第4章集成化智能传感器3）硅电容式集成传感器应用 传感器原理及应用它由一变容压力传感器元件、一个温度传感元件和一个界面电路(具有唤醒功能)组成，所有这三个元件都在单块芯片中(如后图所示)。MPXY8020A可与遥控车门开关(RKE)系统结合使用，提供一个高度集成的低成本系统。胎压监测传感器MPXY8020AMPXY8020A是一款高集成度产品第4章集成化智能传感器3）硅电容式集成传感器应用 7）智能型电容传感器传感器原理及应用正温度系数温度传感器第4章集成化智能传感器 传感器原理及应用胎压监测传感器MPXY8020A是一款高集成度产品运动传感器第4章集成化智能传感器3）硅电容式集成传感器应用 传感器原理及应用MEMS（微机电系统）是面向汽车安全应用的传感器技术的一个亮点。专家最新提出一个汽车“黑匣子”的概念，该“黑匣子”用以监控汽车的速度、安全带的使用状况以及由于汽车急转弯、急刹车、行驶不稳定、异常减速和不安全倒车等原因造成的超重力行驶，为驾驶者提供指导和预警帮助。这些系统配有加速感应器和回转感应器，采用MEMS技术以减小器件尺寸和成本，并获得了市场的认可。预期未来所有汽车生产商都将会安装某种形式的黑匣子，“黑匣子”的市场将遍及全世界。这必将导致MEMS传感器和加速感应器市场份额的急剧扩大。第4章集成化智能传感器3）硅电容式集成传感器应用 传感器原理及应用由于指纹具有唯一性，使其成为个人身份识别的一种有效手段，将人的指纹采集下来输入计算机进行自动指纹识别。指纹图象的获取有两类方法:一是使用墨水和纸的传统方法；一种方法是利用设备取像,分为:光学设备取像;晶体传感器取像;超声波取像。电容式指纹传感器第4章集成化智能传感器4.5.2新型电容式指纹传感器 传感器原理及应用晶体指纹传感器分为：电容式；压感式用它获取的图像质量比较好，可以采用自动获取控制技术和软件调整的方法来改善图像质量。晶体传感器的体积和功耗都比较小，成本也比光学设备低廉。光学取像是使用CCD器件来获得指纹的图像，其优点是图像效果较好，器件本身耐磨损，但缺点是成本高、体积大。指纹IC卡识别器第4章集成化智能传感器4.5.2新型电容式指纹传感器 传感器原理及应用每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都有70-150个基本特征点，在两枚指纹中只要有12-13个特征点吻合，即可认定为同一指纹。而以此找出两枚完全一样的指纹需要120年，人类人口按60亿计算，大概需要300年才可能出现重复的指纹。因此，想找到两个完全相同的指纹几乎是不可能的。指纹特征一般分为总体特征和局部特征。总体特征包括纹形、特征点的分类、方向、曲率、位置。由于每个特征点都有大约7个特征，十个手指具有最少4900个独立可测量的特征。基于指纹的多样性特征和不可复制性，每个指纹都具有唯一性，利用指纹进行身份认证，可完全杜绝钥匙和IC卡被盗用或密码被破解等导致他人非法进入的现象。第4章集成化智能传感器4.5.2新型电容式指纹传感器 传感器原理及应用采集：指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。半导体指纹采集技术（1998年）解码：得到一幅指纹图像后，要对图像解码，需要对图像特征进行提取、分析，指纹基本特征就是如脊、谷和终点、分叉点或分歧点。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征点，足以确认指纹识别的可靠性。比对和匹配：当指纹图像的特征值被提取后，就可依照特征值与数据库中存储的指纹进行比对和匹配。如何对于残缺图像进行匹配以及伤疤等处理都要依赖于算法技术。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但需识别的数据量很大，对数据进行比对也不是简单的等与不等，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。指纹传感器工作原理第4章集成化智能传感器 传感器原理及应用电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel等公司投资几十亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上占主要份额。例如FPS110电容式指纹传感器表面集合了300×300个电容器，其外面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷（远）相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值来获取指纹图像。第4章集成化智能传感器1）FPSxxx电容式指纹传感器4.5.2新型电容式指纹传感器 传感器原理及应用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。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。右图为指纹经过处理后的成像图：第4章集成化智能传感器1）FPSxxx电容式指纹传感器 传感器原理及应用指纹识别主要分为四个阶段:读取指纹、提取特征、保存数据和比对确认。首先，通过指纹识别器的读取设备读取指纹图象。在获取指纹图象之后，识别芯片对图象进行初步处理，使之更加清晰可辨。然后指纹辨识软件建立指纹的“数字表示特征”数据，从指纹转换成特征数据。两枚不同的指纹会产生不同的特征数据。第4章集成化智能传感器1）FPSxxx电容式指纹传感器 传感器原理及应用FPS110传感器采用标准CMOS工艺；尺寸为15×15mm2；分辨率为500DPI（一英寸面积上的像素多少，指扫描精度）FPS110提供8位微处理器相连的接口；内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8位灰度图像。芯片功耗小于200mW；价格在600元以下。FPS110功能结构框图第4章集成化智能传感器2）FPS110内部结构与接口电路 指纹识别的笔记本电脑传感器原理及应用第4章集成化智能传感器3）指纹传感器的应用 右图所示为IBMThinkpadT42/T43的指纹识别传感器。指纹识别的笔记本电脑传感器原理及应用第4章集成化智能传感器3）指纹传感器的应用 指纹识别的汽车：西门子公司研制出了有指纹识别技术的汽车，不仅门锁装置不再需要钥匙，同时还具有根据指纹及预储的信息，自动调整汽车驾驶员的座椅高度、前后距离，各个反光镜位置及自动接通车载电话等功能。传感器原理及应用第4章集成化智能传感器3）指纹传感器的应用 美国模拟器件公司(ADI)开发出一种新的检测电容的方法，它采用了改进的S-D模数转换器(ADC)的输入级检测未知的电容并将其转换成数字量。ADI公司称其为电容数字转换器或CDC。AD7745是首款CDC，它提供24bit分辨率和16bit精度测量电介质、几何尺寸、液位、压力；车用电容传感器传感器原理及应用4.5.3新型电容传感器——电容数字转换器(CDC)第4章集成化智能传感器 传感器原理及应用4.5.3新型电容传感器——电容数字转换器(CDC)电容数字转换器第4章集成化智能传感器 传感器原理及应用电容数字转换器(CDC)电容数字转换器侧液位电容数字转换器侧压力第4章集成化智能传感器 传感器原理及应用4.5.3新型电容传感器——电容数字转换器(CDC)电容数字转换器做接近开关第4章集成化智能传感器 湿敏电容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。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。传感器原理及应用4.5.4湿敏电容第13章集成化智能传感器 本章要点1.如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？2.说明变介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和测量方法。3.差动式电容传感器测厚系统的工作原理。4.硅电容式集成传感器结构特征与工作原理。5.何谓“驱动电缆技术”？采用的目的是什么？6.差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什么特点？7.电容板材在线测厚系统中，如何通过检测电容大小实现只对厚度变化响应，并保证板材的上下波动时不影响厚度测量？ 习题与思考题1.已知一平板式电容位移传感器：极板间介质为空气，极板尺寸a=b=4mm，极板间隙δ0=0.5mm。求:传感器静态灵敏度。若极板沿a方向移动=2mm时电容量是多少？2.电容式料位计如何通过电容量进行料位检测？3.电容式压力传感器结构有哪些特征，怎样设计可测量压差。4.力平衡加速度传感器用于哪些系统的测量，属于几阶系统？5.新型电容式指纹传感器与其它指纹传感器相比有什么特点？ 课堂作业二极管双T型电路和压差传感器结构如下图所示，已知电源电压UE=10V，频率f=1MHz，R1=R2=40kΩ,压差电容C1=C2=10pF,RL=20kΩ。试分析，当压力传感器有压差PH＞PL，使电容变化ΔC=1pF时，一个周期内负载电阻上产生的输出电压URL大小与方向(并用尖头表示）。 课堂作业传感器在机器系统中可以起到感官作用，请说明可以相当于人的哪些感觉器官。什么是金属应变效应？金属应变片工作是利用什么效应；半导体应变片是利用什么效应。金属应变片的灵敏系数k0主要什么变化由引起的，半导体应变片的灵敏系数k0主要由什么变化引起的？电阻式传感器主要有哪两种应用方式？根据电容的定义，电容传感器可以有哪三种形式？分别可以进行那些物理量的测量？ 谢谢！'