电容式传感器的应用_范文大全

电容式传感器的应用

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【专家解析】电容式传感器的应用

【优秀范文】电容式传感器的应用

范文一:电容式传感器的应用 投稿:谭櫜櫝

电容式传感器的应用 电容式传感器是把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜,灵敏度高,零磁滞,真空兼容,过载能力强,动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。 随着社会的发展,电容式传感器得到了越来越广泛的发展。下面举几个电容式传感器的应用实例。

1.PT800 型压力变送器

PT系列产品中的标准型号,内置陶瓷电容式传感器。

可以自由选配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接

件,可以现场调零点、满量程。广泛应用于自动化工业中

对液体、气体和蒸汽的测量。

2.电容式触摸屏

目前,电容式触摸屏已经逐渐广泛应用于消费电子、便携式产品领域。从理论上说,一根走线、间隔、另一根走线,这就是组成一个电容传感器的全部所需,直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。当手指或某物体或人接近或者碰触到传感器时,电容传感器会检测(或称感测)到电容值的变化如下图标所示

3.电容式加速度传感器

它有两个固定极板(与壳体绝缘), 中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板(与壳体电连接)。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使C1、C2产生大小相等,符号相反的增量,此增量正比于被测加速度。

4.电容式料位传感器

测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。

5.电容式传声器

电容传声器核心是平板电容器,振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜,当膜片随着声波的压力的大小产生振动时,膜片与后极板之间的相对距离发生变化,膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化,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,从而完成了声音信号与电信号的转换。

6.电容式传声器

电容式麦克风工作原理:声波作用在振膜上引起振动,从而改变两极板间电容量的变化,引起极板上电荷量的改变,电荷量随时间变化形成高变电流,流经电阻上在两端产生压降,在经过放大器输出高变信号。由于输出阻抗很高,不能直接输出,因此在传声器壳内装入一个前置放大器进行阻抗变换。将高阻改变成低阻输出。电容式传声器其实需要二组电源,一组为预放大器电源(约1.5V~3V)另一组是电容极头的极化电压(约48~52V)。现在调音台一般都有幻像供电,利用传声器电缆内两根音频芯线作为dddtt直流电路的一根芯线,利用屏蔽层作为直流电路的另一根芯线,由调音台向电容传声器馈电,这样既不影响声音的正常传输,又节约了芯线。

7.电容式液位计

当被测液体的页面上升时,引起棒状电极与

导电液体之间的电容变化 。液位限位传感

器与液位变送器的区别在于:它不给出模拟

量,而是给出开关量。当液位到达设定值时,

它输出低电平。但也可以选择输出为高电平

的型号。

8.电容式接近开关

测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体,并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。

被测物体

感应电极 振荡电路

9.电容式键盘

常规的键盘有机械按键和电容按键两种。

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。这种开关是无触点非接触式的,磨损率极小。

10.电容式测厚仪 电容测厚仪用于测量金属板材在轧制过程中的厚度变化,两边,板材是电容的动极板,总电容为,放在板材,作为一个桥臂。

如果板材只是上下波动,电容的增量一个增加一个减少,总的电容量不变;如果板材的厚度变化使电容变化,电桥将该信号变化输出为电压,经放大器、整流电路的直流信号送出处理显示,显示为厚度变化。

11.电容式指纹传感器

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,当用户的手指放

在上面时,由皮肤来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,这里指的是脊(近的)和谷(远的)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。该传感器的生产采用标准CMOS技术,大小为15×15mm2,获取的图像大小为300×300,分辨率为500DPI。FPS110提供有与8位微处理器相连的接口,并且内置有8位高速A/D转换器,可直接输出8位灰度图像。FPS110指纹传感器整个芯片的功耗很低(<200mw)。

12.电容式传感器的发展

目前传感器正向新型多品种,高精度即小型化,集成化,多功能智能化方向发展。近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断被克服,使用也越来越广泛,尤其是出现了数字化智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统,将其测量部件技术与微理器的计算功能结合为一体,是的测量仪表至控制仪表成为全数字化系统,数字式智能化传感器的综合性能指标,实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。应用的领域也越来越广泛。

范文二:电容式传感器的应用 投稿:邹墎墏

电容式传感器的原理及应用

电容传感器是将被测的非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它不仅能测量荷重、位移、振动、角度、加速度等机械量,还能测量液面、料面、成分含量等热工参量。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。因此,电容传感器在自动检测技术中占有很重要的地位,并得到广泛的应用。电容式传感器有着许多优点,应用也非常广泛,本文介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。

一.基本原理

电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化,再经过转换电路变成电信号输出。由物理学可知,两个平行金属板组成的电容器,

如果忽略了边缘效应,其电容为C =εS/d。可见在三种参数中保持其中两个不变而仅仅改变第三个参数电容就会改变, 因此电容式传感器可以分为三种类型。

1.1 变间距型电容传感器

如图(1) 所示,1为固定极板,2为可动极板。当可动极板向上移动x ,则电

容的增量为

ΔC =εS/(d - x)-εS/d= -εS/d( x/(d - x)) =C0/d( x/(1 -x/d))

所以灵敏度S =Δx=C0/d=C0/d(1 +x/d+x/d2+x/d3+„„) 。

从上式中可以看出,电容的变化量与极板移动的位移有关,而且当x/d< < 1 时,可以近似地认为 ΔC = S·x ,成线性关系。为了提高灵敏度可以适当减小电容器初始间距和增大初始电容值。

1.2 变面积型电容传感器

如图所示,下面的极板为动片,上面的极板为定片。当动片与定片有一相对线位移时,两片金属极板的正对面积变化,引起电容量的变化。当线位移x = 0 时,设初始电容量为C0 =εab/d,当x ≠0 时,Cx =ε(a - x) b/d= C0 (1 -x/a) ,因此ΔC = - C0x/a,灵敏度S = -C0/a 。可见变面积型传感器是线性传感器,增大初始电容可以提高灵敏度。

1.3 变介质型电容传感器

二.电容式传感器的应用

1. 触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域,如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中,红外线式和电容式触摸屏能够支持多点触控,前者由于尺寸限制和线性度不高,尚不能满足消费类产品的要求,而电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性,是目前主流的多点触控技术。在实际生活中我们接触最多的还是电阻式触摸屏,它已经被广泛的应用在手机和随身数码产品当中。但电容式触摸屏将成为发展趋势,替代电阻式触摸屏。电容式触摸屏主要有两种类型:表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏。

2.随着科学技术的发展, 新技术、新材料的的应用, 电容式测微仪器应用不断扩大, 尤其是在动态和在线检测方面具有极广阔的应用前景。主要是电容式变换方法较其它方式具有更多的优越性, 如它的输入能量极低, 动态响应快, 自热效应甚微, 稳定性好, 内磨损误差小。因此, 特别适宜动态、在线检测。它的相对变化量大, 能用在特殊环境下工作, 如在强光照射下、在核辐射条件, 过载冲击震动环境等。

3.始于1998年的应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集,包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器 、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测,包括常用的直流电容法(如美国Veridicom 公司FPS200等) 、交流电容法(如Authentec公司的芯片通过测量手指真皮层交流电容获取指纹图像) 。与光学传感器扫描指纹不同,硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触/非接触所产生电流变化(电子度量)检测有无指纹,并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。其技术关键:在半导体金属阵列集成约100 000个电容式传感器(外层绝缘) ,传感器阵列每一点是个金属电极,相当于电容器阳极;手指放在上面时,皮肤组成电容另一极,

传感面形成两极间介电层。

电容值随脊(近的)和谷(远的)相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同,硅表面电容阵列各电容值亦有异,该电容值被转换成8 bit灰度图像,测量并记录各点电容值,即可获得具有灰度级指纹图像。当然,各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,其中,技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的Image2SeekTM ,它通过改变指纹传感器电容阵列参数,能在1 s内扫描多帧指纹图像,并自动选择图像质量最好的。

4.日本富士电机最新研发的FCX-AⅢ系列智能压力变送器的关键技术和特点。通过对硅微电容传感器原理和先进浮动膜盒结构的分析,FCX-AⅢ􀃻列智能变送器采用了由微加工技术制造的硅微电容传感器和微处理器, 新型先进浮动膜盒结构, 多种通信协议等独创的关键技术, 使系列产品具有优异的特性和功能。

三.电容式传感器在使用中存在的几个问题及处理方法

1.灵敏度的问题

由两平行板组成的一个电容器,若忽略其边缘效应,其电容量可用下式表示:C =ε0εr/d=εs/d(1)式中, S 为极板相互遮盖面积,单位为m2 ; d 为两平行板间的距离,单位为m;ε为极板间介质的介电常数;εr 极板间介质的相对介电常数;ε0 真空的介电常数。从上式可以看出,当d 小时可使电容量增大,而使灵敏度增加,但d 过小容易引起电容器击穿,一般我们可以采取在极板间放置云母来改善,此时电容C 为两电容串联,可写成:C = s((d - d0)/ε1+d0/ε2)(2)式中,ε1云母片的介电常数;ε2 空气的介电常数; d0 为气隙宽度; d 为两极板间的距离。云母的介电常数为空气的7 倍,云母的击穿电压不少于103kv/ mm ,空气的击穿电压仅为3kv/ mm。厚度仅为0. 01mm的云母片,它的击穿电压也不小于10kv/mm ,因此有了云母片,极板之间的距离可大大减小,还能使电容传感器输出特性的线性得到改善。提高灵敏度除了采用加云母片的方法外,还可以采取以下措施:

(1) 提高电源频率。

(2) 减小极板厚度可削弱边缘效应。

2 .电容传感器中一些量的变化范围

在变极间距离的电容传感器中,由于减小极间距离可以提高灵敏度,多用来测量微米级的位移,一般极板间距离不超过1mm ,最大位移量应限制在间距的1/ 10 范围内;在变极板工作面积的传感器中,可以测量厘米级的位移。在电容传感器中,正确选择电容的大小是很重要的。合理的设计既可以使传感器满足测量范围的要求,又可以提高灵敏度,减小非线性误差。一般其电容的变化在103PF~104PF 范围内,相对值ΔC/C的变化则在10 - 6~1 范围内。电容元件输出阻抗一般在108Ω~106Ω 之间,该数值还与所采用的交流电源频率有关。为了减小绝缘电阻的影响和提高灵敏度,电源频率一般采用在50kHz 以上,但是采用高频电源使信号放大、传输等问题比低频时复杂的多。

3 .分布电容的影响问题

电容传感器一个很关键的问题是分布电容电容量与传感器电容量相比不仅不能忽略,而且影响还极其严重,其后果是造成传输效率降低、灵敏度下降、测量误差增加及稳定性变差。近几年来,对此问题有了新的解决途径。其中“整体屏蔽法”就是一例。

4 .非线性问题

变间隙式电容传感器相对输出表达式为:ΔC/C=Δd/d[1 +Δd/d+ (Δd/d) 2 + (Δd/d) 3 + ⋯⋯] (3)由上式可知,变间隙式电容传感器相对输出与输入为非线性关系。由于Δd/d< < 1 ,工程上常采用以下两种近似处理方法的办法: a) 近似线性处理:即取上式右边第一项近似,有:ΔC/C≈Δd/d(4) b) 近似非线性处理:即取相对输出表达式的前两项近似,有:

ΔC/C=Δd/d(1 +Δd/d) (5)上述两种近似产生的相对非线性误差为:r0 = ±|Δd/d| ×100 % (6)以上分析说明,相对非线性误差r0 与间隙d0 也成反比例关系,因此提高传感器的灵敏度和减小非线性误差是相矛盾的。在实际应用中,为解决这一矛盾,大都采用差动式电容传感器。 四.参考文献

1.陈 霞 吴春旺 电容传感器在使用中存在的几个问题及处理方法 (济宁职业技术学院,山东济宁272037)

2.张白莉 电容式传感器的应用和发展 (忻州师范学院,山西忻州034000)

3.马西秦 自动检测技术 机械工业出版社 2008-9

4.屈伟平 电容式触摸屏将引领市场潮流 (解放军76410 部队广西桂林541001)

5.樊玉铭 赵淑兰 精密电容式测微仪及其应用 (天津大学精仪学院 天津 300072) (冶金部自动化研究院)

6.张 亮 指纹图像传感器技术关键及发展趋势 (江苏警官学院科技系,江苏南京210012)

7.韩建武􀌺发红 富士FCX-AⅢ智能压力变送器的特点及应用 (苏州兰炼富士仪表有限公司, 江苏苏州 215200)

8.陈 霞 吴春旺 电容传感器在使用中存在的几个问题及处理方法 (济宁职业技术学院,山东济宁272037)

9.从恒斌 马彦 国外传感器技术的发展及智能化趋势 沈阳黄金学院 辽宁省基础医学研究所

范文三:关于电容式湿度传感器的应用 投稿:钱駠駡

电容式湿度传感器

摘要:利用电容式传感器的特点和在设计电路中的表现设计了其在湿度测量方面的应用。电容式湿度传感器是以高分子湿度湿敏原件电容器为基本感湿原件,利用单片机对测量结果进行分析处理,显示和远距离传输。本电路由电容式湿度传感其硬件电路有湿敏电容器、转换电路、E2PROM、单片机、调制解调器HT2012、带滤波器及波形滤波器等组成。测量准确度达2.5%,在测量相对湿度方面可以有很好的应用。

原理:电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S、d 或ε任意一个参数发生变化时,电容量也随之而变,从而完成了由被测量到电容量的转换。当式中的三个参数中两个固定,一个可变,使得电容式传感器有三种基本类型:变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此,常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是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。

虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此必须加入鉴频器,将频率的变化转换为电压振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。

调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm 级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量,并与计算机通信,抗干扰能力强,可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。 因此,在实际应用中,常采用差动式结构,既使灵敏度提高1倍,又使非线性误差大大降低,抗干扰能力增强。

电容式传感器,顾名思义,指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种,因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是,它以各种类型的电容器为传感元件,将被测物理量的变化转化为电容量的变化,再经测量电路转换为电压、电流或频率,以达到检测或控制的目的。在过去,电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量;现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是:测量范围大;灵敏度高;动态响应好;小功率、高阻抗;机械损失小;结构简单,适应性强;但寄生电容影响大,而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。电容式传感器的分类也是多种多样的,按工作原理可分为变间隙式(变极距型)、变面积式、变介电常数式(变介质型);按极板结构分为平板式和圆柱式;按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型。 现在以平板电容器为例来说明其工作原理。如图1所示。

x

图1平板电容器

其电容为:Cd0

rSd,为极板间介质介电函数,0为真空介电

常数,0.6(pF/cm),是介质相对介电常数,Crs3.6d。 当即板间距离d(令:△d=x)后的电容为C1S(d0x)。CC0(C1C0)0(d0x)这是实际非线性关系。灵敏度 Sn(C0)x(d0x),当x相对于do很小时可以近似为:d0xd0 时,CC0d0,这是理想的线性关系。理想情况下:Snd0

非线性误差:efdx(C)S(CC)Lx 10(CC)Ld0d0

x

图2变极距型传感器的特性曲线

由上述可知,可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多,温度、电容电场边缘效应和寄生或分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些影响,如增大初始电容和加装等位环,静电屏蔽,电缆驱动等。

C

凹形玻璃膜片

电容式传感器的运放测量电路原理图如图1-3所示,图中Cx为电容

式传感器电容;Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压; Σ是虚地点。(传感器为平板电容,Cx=εS/d)由运算放大器工作原理可得

UCdUoiS

此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 电容式传感器的应用比较广,主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地,产生了很多类型的电容式传感器,如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。

现以电容压力传感器为例说明其应用。如图1-4中所示膜片为动电极,两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极,构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时,所形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

现在传感器的应用十分广泛,其发展趋势逐渐趋向固态化、集成化、多功能化、图像化以及智能化。

上述就是到目前为止,我对传感器和电容式传感器的认识和了解。 电容式传感器具体特点如下:

(1)结构简单,适应性强

电容式传感器结构简单,易于制造,精度高,可以做得很小,以实现某些特殊的测量,电容式传感器一般用金属作电极,以无机材料作绝缘支承,因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中,能承受很大的温度变化,承受高压力、高冲击、过载等;能测超高压和

低压差。

(2)动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小,需要的作用能量极小,可动部分可以做得小而薄,质量轻,因此固有频率高,动态响应时间短,能在几兆赫的频率下工作,特适合于动态测量;可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数、如振动等。

(3)分辨率高

由于传感器的带电极板间的引力极小,需要输入能量低,所以特别适合于用来解决输入能量低的问题,如测量极小的压力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常高,能感受0.001μm ,甚至更小的位移。

(4)温度稳定性好

电容式传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料,又由于本身发热极小,因此影响稳定性也极微小。

(5)可实现非接触测量、具有平均效应

如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等,采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

不足之处是输出阻抗高,负载能力差,电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十皮法到几百皮法,使传感器输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源 时,输出阻抗更高,因此传感器负载能力差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容影

响大,电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大,降低了传感器的 灵敏度,破坏了稳定性,影响测量精度,因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05μm 的微小振幅),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,还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器。为用于检测非导电液体的电容式传感器。它是通过将被测介质的液面高度变化转为电容器电容量的变化,当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间变化时,引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。

电容式传感器是基于把被测非电物理量转换为电容量的原理进行测量的,它在工业中被广泛用于压力、差压、物位、液位、振动和位移等多种参数的检测。

电容传感器有三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型,其中极距型和介电常数型电容传感器为非线性,而变面积型是线性的,在实际使用中为提高传感器的线性度和抗干扰能力,增大灵敏度,常采用差动式结构。

电容传感器常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等,不同电路各有特点,适用不同参数测量的场合。

电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容 ,主要材料一般为高分子聚合物 、金属氧化物. 这些材料对水分子有较强的吸附能力 , 吸附水分的多少随环境湿度而变化 . 由于水分子有较大的电偶极矩 ,吸水后材料的电容率发生变化. 电容器的电容值也就发生变化. 同样 , 把电容值的变化转变为电信号 ,就可以对湿度进行监测. 例如 , 聚苯乙烯薄膜湿敏电容. 通过等离子体法聚合的聚苯乙烯具有亲水性极性基团 . 随着环境湿度的增减,它吸湿脱湿,电容值也随之增减。从而得到的电信号随湿度的变化而变化。

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、酷酸醋酸纤维等。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。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小 型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以 Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例,其测量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。当相对湿度从 0变化到100%时,电容量的变化范围是163pF~202pF。温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±1.5%,响应时间为5s。

湿敏电容器的感湿是材料是固态高分子聚合物,具有全互换性,在标准环境下不需校正,和长时间下快速脱湿,高可靠性,长时间稳定性和快速反应等特点 。

结论:本设计主要应用的是电容式传感器方面的知识,其中的知识点包括电容式传感器,湿敏电容器等。本设计是通过对指定环境的湿度测量,输出显示,并对测量的数据进行分析,经测试,该智能电容式湿度传感器符合HART的技术规范,可直接挂在通信总线上,无需考虑传感器的匹配信号问题,简化系统布线设计,降低了成本,减少了故障率,确保可靠通信。同时,测量准确度高,抗干扰能力强,传输距离远。 参考文献

[1] 吴建平.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 张福恩,王岩.现场总线的技术与发展[J].电子器件,2001.

[3] 吴道梯.非电量电测技术[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[4]http://wenku.baidu.com/view/9983eaeef8c75fbfc77db2a5.html

[5] http://wenku.baidu.com/view/cc202f563c1ec5da50e2702f.html

范文四:电容式传感器应用设计1 投稿:陈觨觩

电容式传感器用于输液液位自动检测

现在大多数医院诊所的患者在输液是还是要靠医护人员或者是自己留意输液进程,等输液完成或者是需要更换药瓶的时候再呼唤医护人员进行拔针或者是更换药瓶。这种方式既原始又不利于及时操作,尤其是在夜间或者是病人昏迷的时候输液情况仅仅是依靠医护人员的定时查房来确定,不利于病人输液的安全和及时。甚至可能影响对病人的治疗。

所以设计一种简单高效的病人输液自动检查装置,在一瓶药液即将输液完毕的时候,及时发出报警信号,提醒医护人员及时拔针或者是换药。将会对病人的输液治疗有很大的帮助,这在医疗现代化的今天是很有必要的。

设计方案

鉴于输液管的构造,可以用电容式传感器检测输液管输液漏斗位置的电容变化来得到输液情况,平板电容器的电容:

这里可以设定电容两极板间的相对有效面积A和两极板的距离d为定值,则电容的变化与两极板见的介电常数ε成正比。

在输液即将完成时,输液管漏斗里的液位会下降,若将电容极板夹在输液漏斗外壁两侧,就可以将液位变化看做为介电常数变化进而可以转化为电容值的变化。为了保证A和d不变,也为了使用方便,可以将该电容式传感器做成夹子状,使用时夹于输液漏斗外壁。做成夹持式电容液位检测传感器。

为避免药液在输液漏斗内壁上的吸附作用造成ε的干扰,应将电容两极板尽可能做长,最好能与漏斗长度相若。传感器做成的夹子可以用导线连接到房墙上的电源处并且进行信号的进一步处理。

对电容变化值进行检测采取由555定时器组成的多谐振荡器。如图1所示,图中电容C即为电容正负极板的接口,图中555定时器的接口5接地,电源VDD为+15V直流电源,电阻R1,R2的阻值相等,所以在555定时器的作用下电容C两端的电压 会在和之间往复振荡如图2所示。

图1 由555定时器组成的电容测量电路

Y 轴X

图2 振荡电路电容电压与输出脉冲波形 t

在Q端输出的脉冲波形随之变化,而且脉冲振荡周期和频率跟电阻、和

电容C有关

可以看出,电容的变化直接影响着555定时器输出脉冲频率,所以该电路将电容值的变化转化为脉冲频率的变化。而且通过二极管D的单向导通作用可以使输出脉冲波的占空比接近50%,近似于方波。

正常输液时,输液漏斗里的液面基本不变,此时夹在输液漏斗外壁的两电容极板之间的介电常数ε基本不变。当药液即将输完的时候,输液漏斗里的液位会下降,电容极板之间的介电常数ε会随之减小,则两极板间的电容值C就会减小,在多谐振荡电路的作用下使输出脉冲波的周期T随之减小频率f却随之增大。这样就把输液漏斗内液位变化这一非电量变换成易于测量的脉冲波形频率变化。通过测量脉冲波形频率的变化就可以知道输液药量的剩余量。

对脉冲频率的测量可以依靠单片机来完成,555定时器的多谐振荡器的振荡频率约为500Hz,所以输出脉冲频率不会超过1MHz这远远低于单片机的自身振荡频率,而且脉冲波形近似方波,所以其高电平信号宽度可以直接反应脉冲信号的周期和频率的变化。所以可以用单片机直接对输出脉冲的高电平信号宽度进行测量。

用单片机测量脉冲信号高电平宽度时,可以将多个555定时器的输出端都接入单片机中,通过软件与硬件的结合,同时对多个电容传感器的输出信号进行测量。当某一脉冲信号的周期减小过某一个值(该值由单片机软件设置)的时候,说明输液漏斗内的液位已经明显降低。此时单片机应该输出对应的信号使对应装于护士值班室的指示灯发光并且打开蜂鸣器进行报警,提醒医护人员或者是病人陪护者及时替患者拔针或者是更换药瓶。

医院可以给每个床位配备一个加持式电容传感器以及振荡电路,考虑每个两个病房里的所有床位的传感器振荡电路输出用一个单片机进行测量,然后将对应信号输出端从单片机接到值班室里的指示灯或者是晶体管显示器。由于每个床位都配有应急按钮用于病人紧急情况时呼叫医护人员,所以该输液检测装置的外电路可以同应急按钮线路进行整合,这样有助于节约成本和简化线路。但是要注意该蜂鸣器报警装置要与紧急呼叫铃声分开来,以免影响他人。而且应该在每一床

都装设对应的蜂鸣器,这样可以提醒病人陪护人员自己更换药瓶或者是拔针。

555多谐振荡电路中的电阻可以换为可调电阻器,这样,医护人员可以根

进而能更好的与单片机软件进行配合,据正常输液时的漏斗液面高低来调节

使单片机能避免误动作进而更准确的反应漏斗液位的变化。

对于临时病床可以考虑使用微波信号将555定时器的输出端接入单片机来进行检测,这就需要微波信号发送与接收装置,线路比较复杂这里就不在叙述。

范文五:电容式荷重传感器的应用 投稿:蒋緱緲

电容式荷重传感器的应用

荷重传感器按转换工作原理分类为电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类传感器,以电阻应变式使用最广。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上,新旧国标有质的差异。本文介绍荷重传感器的工作原理和使用注意事项等知识。

电阻应变式荷重传感器是基于这样一个原理:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见,电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述荷重传感器工作原理。

1、荷重传感器弹性体的原理

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的外力,对外力产生反作用力,达到相对静平衡;其次,它要产生一个高品质的应变场(区),使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列荷重传感器的弹性体为例,来介绍一下其中的应力分布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力,但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神,一为压缩,若把应变片贴在这里,则应变片上半部将受拉伸而阻值增加,而应变片的下半部将受压缩,阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式,而不再推导。 ε = (3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/ (B(H3-h3)+bh3) (2--9)

其中:Q--截面上的剪力;E--扬氏模量:μ—泊松系数;B、b、H、h—为梁的几何尺寸。 需要说明的是,上面分析的应力状态均是―局部‖情况,而应变片实际感受的是―平均‖状态。

2、传感器电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R: R = ρL/S(Ω) (2—1)

当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ。

对式(2--1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。我们有: ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2)

用式(2--1)去除式(2--2)得到

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S (2—3)

另外,我们知道导线的横截面积S = πr2,则 Δs = 2πr*Δr,所以

ΔS/S = 2Δr/r (2—4)

从材料力学我们知道

Δr/r = -μΔL/L (2—5)

其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式(2—4)(2—5)代入(2--3),有

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L

= K *ΔL/L (2--6)

其中

K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2--7)

式(2--6))说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。

需要说明的是:灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,很不方便 常常把它的百万分之一作为单位,记作με。这样,式(2--6)常写作:

ΔR/R = Kε (2—8)

3、检测电路原理

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰,可以比较方便的解决荷重传感器的补偿问题等,所以惠斯登电桥在中得到了广泛的传感器应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销,所以荷重传感器均采用全桥式等臂电桥。

其实称重传感器原理上就是压力传感器,形状不一样而已,通常有很多种方法传感的,但我见到,用得比较多,比如地磅用的那些,一般为电涡流式。

也就是说,他有一个电涡流触发绕组,然后还有一个传感器感应电涡流强度。

由于这个传感器整体是金属封装,电涡流在其内部,受到压后形变,涡流就发生变化,放大后就可以读到数据了。

然后,封装这个东西的材料,通常选用刚性材料, 总之,就是一般的金属,比如钢,但肯定不会用很软的东西的。至少电涡流方式传感的压力传感器,是不会用软金属制造的。 因为即使是钢,就算受到压力形变那么几微米,那么电涡流的变化也足够感应出到底变化了多少而且如果是软金属,称很重东西的时候,可能很容易出问题。

荷重传感器的使用知识

随着技术的进步,由荷重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量,特别是随着微处理机的出现,工业生产过程自动化程度化的不断提高,称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置,从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制,到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等,都应用了荷重传感器,目前,称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

本系统由微机控制称重传感器的称重和比较,并输出控制信号,执行定值称量,控制外部给料系统的运转,实行自动称量和快速分装的任务。

系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件,其硬件电路框图如图1所示,用8031作为中央处理器,BCD拔码盘作为定值设定输入器,物料装在料斗里,其重量使传感器弹性体发生变形,输出与重量成正比的电信号,传感器输出信号经称重变送器放大后,输入V/F转换器进行A/D转换,变送成的频率信号直接送入8031微处理器中,其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路,显示出瞬时物重,另一方面则进行称重比较,开启和关闭加料口和称重变送器,放料于箱中等一系列的称重定值控制

范文六:基于电容式传感器的应用研究 投稿:于鬺鬻

摘要:电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

  关键词:电容式传感器 应用 研究

  1、电容式传感器的结构特点

  电容式传感器的优点:电容式传感器与传统的电感式、电阻式传感器相比具有结构简单,测量范围大,灵敏度高,动态响应快、非接触测量等优点,并能在高温,辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。首先,电容式传感器结构相对简单,因此比较容易投入生产。适应性好强,可大可小,从而可以满足不同需求的测量。用于制作电容式传感器的金属极板材料有可以有多种选择:金、银、铜、黄铜、青铜、铅等,选择范围广,可见适应性比较强。其次,电容式传感器具有动态响应好,分辨率高的特点。由于在极板间的静电引力小,作用能量值也相应降低,能活动的地方可以做的很小很薄,重量轻,因此电容式传感器的固有频率会随之升高,动态响应时间变短,在几兆赫的频率下即可工作,因此,此电容器特别适用于动态测量。又由于需要的输入的能量低,所以即便只是测量极小的压力、力和加速度,也可以做到很灵敏,很精确。电容式传感器在一般情况下可视为纯电容,其容抗值为XC=1/jwC,当W为常数时,容抗随电容的减小而增大。一般电容式传感器受几何尺寸的限制,其电容量是很小的,有的甚至只有几个皮法,所以,电容式传感器具有高阻抗的特点,又由于电容器本身的C很小,所以电容式传感器呈现小功率的特性。功率小,发热自然低,因此温度的变化对测量的误差很小。对于非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

  电容式传感器的不足之处及解决办法:电容式传感器是以静电场有关理论为基础制成的,从静电场角度考虑,影响其工作性能的因素是存在的,因此在设计和应用时,应给予考虑。首先,电容式传感器输出与输人之间的关系出现较大的非线性,这时可以采用差动式结构解决非线性大的局限性,但只能缓解,不能完全消除,这也是电容式传感器使用的局限性。因其电容小,所以负载能力较差,为了提高工作电容值,可以在极板间加入介电常数高的绝缘材料,并减少极板间的间距来间接提高提高电容数值;因其电容值的偏低,所以对后续放大器要求很高,这时可以采用提高电源频率的方法降低容抗值,采用高输入阻抗运放作放大器,以减小在放大环节的信号衰减。采用带通或选频放大技术,对信号频率进行放大而滤去低频信号,采用屏蔽,将传感器和测量电路装在屏蔽壳体中,减少寄生电容和外界干扰的影响,减小极板厚度,增加极板宽度,以削弱极板的边缘效应和非线性误差。

  2、电容式传感器的工作原理

  电容式传感器实际的基本包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx,其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和尽缘体。当有物体靠近时,电极的电场就会发生改变。从而感应出物体的位移变化量。 在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。此外,在机械制造技术方面,从小批量生产到连续程序控制.从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备.都需要大量的压力传感器。为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转,对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高.测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。二者的基本原理相同,所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构;而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构.对高压和低压两例的接触溶液膜加压后,通过密封液加到感压膜上,感压膜(可变电极)接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置,感压膜的位移,使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差,这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20mADc的输出信号。以加速度传感器是根据压电效应[1]。

  3、电容式压力传感器的应用举例

  电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高,高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现,如一种250mm量程的电容式位移传感器,精度可达5μm[2]。

  (1)电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容, 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时,将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化,并转换和显示出带材的厚度。

  (2)电容式转速传感器 当齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率代表转速大小。

  (3)电容式压力传感器:电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力,当液体或气体压力作用于弹性膜片,使弹性膜片产生位移,位移导致电容量的变化,从而引起由该电容组成的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,即可指示压力变化量。目前,电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。

  (4)电容式测微仪 高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。电容式测微仪整机线路包括高增益主放大器,包括前置放大器,精密整流电路,测振电路和高稳定度稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽,其线路地端和屏蔽盒相连,精密整流电路接地。

  (5)电容式加速度传感器 加速度传感器是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成电压输出。当然,还有很多其它方法来制作加速度传感器,比如压阻技术,电容效应,热气泡效应,光效应,但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平,走下坡,还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面,如提电脑的硬盘抗摔保护,目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面.

  4、结束语

  电容式传感器是利用电容器原理,将非电量转化为电容量,进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比,具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点,在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用。电容式传感器本身就是电容器,在被测量的作用下,将被测量转化成相应的电容变化量。因此,在设计及应用时要根据传感器和被测量间函数关系的一些参数和所采用的介质以及工作条件等来确定采用何种工作方式、结构形式。结构元件的材料以及传感器输出信号的转换原理等。

  电容式传感器应用领域主要是压电微位移、振动台,电子显微镜微调,天文望远镜镜片微调,精密微位移测量,量测液体位准、湿度、以及物质成分等。

  参考文献:

  [1]孙海峰;崔翔;齐磊;;基于黑箱理论与传统等效电路的无源元件建模方法[J];中国电机工程学报;2010年06期。

  [2]蔡利民;孔力;;圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[J];分析仪器;2009年01期。

  基金项目:

  高职院校民族传统体育文化传播的创新研究(GDGZ12Y084)

  作者简介:

  符特(1981—),男,讲师,硕士,主要从事机械工程研究。

范文七:电容式传感器的应用与发展 投稿:马秬秭

传感器检测与运用

题 目 电容式传感器的应用与发展 姓 名 王鑫 学 院 工学院 专 业 交通运输 班 级 交运114班 学 号 30211418 指 导 老 师 卢伟 职称 讲师

2 0 1 3 年 1 2 月 2 8 号

电容式传感器的应用与发展

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中,由于形式多种多样,传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小,使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广,很有发展潜力的传感器。而本文主要介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。

一、电容式传感器的基本工作原理

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为

cAd

图1.1平行板电容器

ε为电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得上式中的A,d或ε发生变化时, 电容量C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。

x后,覆盖面积就发生了变化,电容也随之改变,下图为当动极板移动

直线位移型电容式传感器的示意图,其为变面积式的一种。

电容增量:

测量灵敏度:

此外,改变板间距d或者电介质ε,便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式,结构形式如下图所示,

图1.3变间隙式

图1.4变间介电常数式

二. 电容式传感器的应用行业

1. 触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域,如手机、媒体播放器、导航系统数码相机、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等。主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中,红外线式和电容式触摸屏能够支持多点触控,前者由于尺寸限制和线性度不高,尚不能满足消费类产品的要求,而电容式触摸屏因其相对可接受的成本以及良好的线性度和可操作性,是目前主流的多点触控技术。在实际生活中我们接触最多的还是电阻式触摸屏,它已经被广泛的应用在手机和随身数码产品当中。但电容式触摸屏将成为发展趋势,替代电阻式触摸屏。电容式触摸屏主要有两种类型:表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏。

2.随着科学技术的发展, 新技术、新材料的的应用, 电容式测微仪器应用不断扩大, 尤其是在动态和在线检测方面具有极广阔的应用前景。主要是电容式变换方法较其它方式具有更多的优越性, 如它的输入能量极低, 动态响应快, 自热效应甚微, 稳定性好, 内磨损误差小。因此, 特别适宜动态、在线检测。它的相对变化量大, 能用在特殊环境下工作, 如在强光照射下、在核辐射条件, 过载冲击震动环境等。

3.始于1998年的半导体指纹传感器应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集,包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器 、半导体温度感应传感器等,

其中,应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测,包括常用的直流电容法(如美国Veridicom 公司FPS200等) 、交流电容法(如Authentec公司的芯片通过测量手指真皮层交流电容获取指纹图像) 。与光学传感器扫描指纹不同,硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触/非接触所产生电流变化(电子度量)检测有无指纹,并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。其技术关键:在半导体金属阵列集成约100 000个电容式传感器(外层绝缘) ,传感器阵列每一点是个金属电极,相当于电容器阳极;手指放在上面时,皮肤组成电容另一极,传感面形成两极间介电层。电容值随脊(近的)和谷(远的)相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同,硅表面电容阵列各电容值亦有异,该电容值被转换成8 bit灰度图像,测量并记录各点电容值,即可获得具有灰度级指纹图像。当然,各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品,其中,技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的Image2SeekTM ,它通过改变指纹传感器电容阵列参数,能在1 s内扫描多帧指纹图像,并自动选择图像质量最好的。

三. 电容式传感器的运行方式

实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx,其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场,大部分的电场都会集中在传感器PCB的两个板层之间。然而,会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面,然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角(sigma-dedta)电容数字转换器来加以量测。电感传感器只能探测金属物质,而电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和绝缘体。巧合的是,这种特性使人类非常适合电场成像,因为人体大部分都是水,介电常数很大,人体还含有离子物质,是良好的电导体,所以当人们的手进入到边缘电场内时,电子环境将会改变,导致一部份的电场会被分流到地线而非回返至接收器终止。

当今市场己有专门针对人机接口应用领域而设计的电容感测用途芯片产品问世。它提供了电容传感器的触发,能检测到因使用者的接近所造成的电容变化,并提供数字输出。

图 新型电容检测方案示意图

(1)驱动IC提供了触发功能、电容值数字转换器、以及补偿电路,以确保在所有环境中都能有正确的结果。

(2)传感器具有特定样式走线的PCB,像是按钮、卷动轴、滚轮、或是某些组合等。其走线材质可以是铜、碳,或是银,而PCB材质则可使用FR4、flex、PET、或是ITO。

(3)主微控制器上执行的软件用以执行串联接口以及组件设定、还有中断服务程序。对于像是卷动棒与滚轮之类的高分辨率传感器而言,其主微控制器会执行一个软件运算法,以达到高分辨率的输出。按钮则不需要软件。

举例来说,AD7142以及AD7143分别可以对高达14个与8个电容传感器予以触发及回应。他们提供了电容传感器的触发,感测因使用者的接近所造成的电容变化,并提供数字输出。

随着电容式触摸屏技术的发展,各种类型的电容式触摸屏会不断出现,由此也会推动触控板和电子技术的发展。电子器件与触控板技术的完美结合,是触摸屏技术发展的基础所在。通过以电力线为基础的分析方法,找出电容式触摸屏的不同类型电容的分布和数学表达,以及由于人体触摸产生的新生电容,是电容式触摸屏技术的物理基础。掌握电容式触摸屏的物理概念会对了解和把握这项新的技术具有促进作用。日常生活中,在使用类似便携式媒体播放器、笔记型计算机、手机等各项功能中,更加注重正确使用和维护的方法,更好地体会现代技术在生活中的应用。

四.电容式传感器在具体工程中的应用

随着电子科学技术的发展,电容式传感器在各行各业中得到了广泛的应用,下面介绍几种利用其原理制造的产品:

1.PT800 型压力变送器

PT系列产品中的标准型号,内置陶瓷电容式传感器。可以自由选配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件,可以现场调零点、满量程。广泛应用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。

2.电容式触摸屏

目前,电容式触摸屏已经逐渐广泛应用于消费电子、便携式产品领域。从理论上说,一根走线、间隔、另一根走线,这就是组成一个电容传感器的全部所需,直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。当手指或某物体或人接近或者碰触到传感器时,电容传感器会检测(或称感测)到电容值的变化如下图标所示

3.其它电容式传感器产品展示

总体来说,电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜,灵敏度高,零磁滞,真空兼容,过载能力强,动态响应特性好以及对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。其缺点是输出有非线性,寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大,以及联接电路较复杂等。通过发扬优点克服缺点,电容式传感器已在工程设计尤其是自动化行业中发展迅速。

除了上述介绍的传感器以外,还有很多应用在各个行业的电容式传感器,如下表所示,

五.电容式传感器的发展趋势

近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。

有MEMS电容式加速度传感器、MEMS硅膜电容式气象压力传感器等一系列智能传感器问世。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样,其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。

范文八:近接电容式传感器的应用 投稿:覃蔯蔰

近接电容式传感器的应用

1831年,法拉第发现了电磁感应。他发现,导体在穿过磁场时产生与移动速度直接成正比的电压:导体移动速度越快,电压就越高。现在,感应式近接传感器使用法拉第的电磁感应定律,无需实际接触传导材料就能检测到它们的距离。然而,这些传感器的最大不足之处是它们只能检测金属导体,并且不同类型的金属对检测范围也会带来一定影响。

另一方面,近接电容式传感器遵守同一原理,但是能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。随着人机界面设计更多地采用触摸面板来可靠地响应命令,近接电容式传感器变得越来越普及。现在在大量不同的控制面板应用中,飞思卡尔的先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器能够取代开关和按钮。MPR083 器件支持8方向旋转界面,而MPR084 器件则能够控制多达8个触摸板。

近接电容式传感器概述

近接电容式传感是一项支持触摸检测的技术,它通过测量电容和展示电容变化来反映周围材料的变化。某些传感器通过生成电场并测量该电场所遭受的衰减,进而测出变化。与感应式传感器不同的是,近接电容式传感器能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。它们是出色的触摸板支持工具,由于我们人体的主要成分是水,具有很高的介电常数;并且我们体内包含离子物质,这使得人体成为很好的电导体。

在近接电容式传感器中,飞思卡尔使用了多种技术。MC33794、MC33941和MC34940产品系列在传感器集成电路(IC)中包含振荡器电路,以生成高纯度、低频率5V正弦波,并由39000欧姆负载电阻器进行调节。这个AC信号被馈入复用器里,复用器然后将信号定向传输到选定的电极/参考引脚或内部测量节点上。IC自动把未选的节点连接到电路接地中,充当创建电场电流所需的返回路径。

当物体(例如我们高度绝缘和导电的身体上的一个手指)靠近金属电极时,就形成了一条电路径,从而导致电场电流发生变化。正常情况下,传感器测量产生电的电场中的AC阻抗,并且将将测量转化成DC输出电压。带有模数控制器(ADC)的外部微控制器然后会处理这个信息,以执行任意数量的功能,例如与触摸板控制面板相关的功能。但是,我们更先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器则通过带定制寻址的内置集成电路(I2C)生成数字输出,因此不需要外部ADC。

这种测量方法涉及RC振荡器技术,该技术采用GPIO检测准确电压变化。GPIO在0.5x Vdd时完成从低到高的过渡,并通过测量延迟实现触摸检测。MPR08X系列的优势包括功耗更低、智能增加,并对特定微控制器优化了传感器算法。器件和软件都具有很高的可配置性,而且针对专用传感器版面设计还优化了控制器。时钟由寄存器控制,以便实现精确的电源模式控制,降低功耗。

由于可靠性的提高(无移动部件)、更大的设计自由和更时尚的外观,近接电容式触摸传感正快速受到设计人员的欢迎。

旋转式触摸轮是一组呈环状排列的触摸板(参见图5)。触摸轮不只检测手指的存在,而且检测手指在触摸轮表面的位置。这个表面是指旋转式轮内周与外周间的面积。

MPR083近接电容式触摸传感器控制可以控制8方向旋转触摸轮和线性滑轨应用。电容式滑轨是一个延伸的触摸板,可以沿滑轨长度检测手指位置。原始检测输出是一个给出触摸条件的单位和一个给出位置信息的多位字。

音量控制是电容式滑轨的典型应用。

MPR083器件具有与MPR084触摸传感器控制器相同的特性,包括通用引脚输出,从而简化了控制面板、开关更换、旋转式和线性滑轨及触摸板实施的管理。

近接电容式传感器的其他应用

尽管触摸传感是近接电容传感器的一个增长最为迅速的市场,但它们也被广泛应用于消费、工业和汽车市场中的大量其他创新应用。例如:

液位传感。一个使用近接电容传感测量液位的简单设计,需要在水柱中放置垂直电极条,进而在水柱壁上形成垂直的电容器。当水柱变空时,就形成一个电容器。但装满水后,电容器就一分为二,其中一个装满空气(电介质为1),另一个装满水(电介质约为80)。简单的算法可以确定液体高度。但在诸如洗衣机等应用中,由于加入了清洁剂,并且出现了灰尘和其他杂质,该系统无法补偿不同的介电属性。

更尖端的电容系统使用梯度电极。这种电极排列需要将两个厚度不等的电极板彼此重叠。随着液位上升,电极的不同位置将与水“接触”,从而可以提取它们之间的唯一比率。这个比率将与液位直接相关,而这个位置的绝对值将提供电介质信息。这些信息可以用来估计水中的肥皂和污物含量。

近接传感。近接电容传感器的另外一个常见用途基于其检测物体近接性的能力。电容器模型等式(1)显示,电容与两个电容器极板(1/d)之间的距离呈反比。在典型应用中,传导电极极板应是其中一个电容器极板,而感应对象则充当另一个电容器极板。

虽然距离和电容之间的关系是一种渐近关系,但这类传感器更适合在近接中需要高分辨率应用中。例如,飞思卡尔MC34940近接电容式触摸传感器将极板中的1英尺作为电极,检测距离在1英寸外的一支手。

近接传感技术在众多市场的安全应用中发挥着重要作用。例如,它们可以检测车内是否有人,甚至能确定他们的个头大小,以触发安全带警报,为安全气囊部署系统提供宝贵的数据。

多电极和屏蔽驱动技术

飞思卡尔的MC33794、MC33941和MC34940近接电容式触摸传感器可以支持多个电极,为一个芯片控制的几个应用提供平台,即便这些应用的间距很大。但是,由于电极信号是通过电线或同轴电缆发射到传感器IC上的,所以它们会因为外界干扰而削弱。为了最大限度减少干扰,飞思卡尔在这些部件中都融入了一个屏蔽驱动。

屏蔽驱动电路提供电极返回的AC信号的缓冲版本。因为它与电极信号具有相同的振幅和相位,两个信号之间没有很大差别或者差别很小,因此抵消了任何电场。实际上,屏蔽驱动把电极信号从外部虚拟接地中隔离开来,实现尽可能精确的远程电极测量,如同它们离IC很近一样(图7)。

一个常见应用是将屏蔽驱动连到与电极和对应电极端子相连的同轴电缆屏蔽上。

屏蔽驱动技术的另外一个典型应用是驱动触摸传感器电极阵列后面的接地平面,来抵消可能削弱AC信号的任何虚拟接地(图8)。屏蔽驱动限制了边缘电场的信号损失,因此有助于确保最强大的可能电场,而且在触摸面板中还能增强触摸板的灵敏度。

屏蔽驱动技术不仅使开发人员能够用最少的近接电容式触摸传感器来驱动大量独立应用,而且还能设计大量的独立电极,在更广泛的区域内执行同一功能,例如能够感应到乘客甚至跟踪乘客移动的智能脚垫。

近接传感与无线协议(如ZigBee技术)的结合,实现了更广泛的控制和与局域网连接,应用机会将层出不穷。安全、照明、集成的娱乐控制和通用近接检测,这些只是众多利用近接电容传感技术优势(如便利性和价格相对低廉的)的应用示例中的几个。

范文九:基于电容式传感器应用论文 投稿:曹裕裖

基于电容式传感器的应用研究

摘要:电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

关键词:电容式传感器 应用 研究

1、电容式传感器的结构特点

电容式传感器的优点:电容式传感器与传统的电感式、电阻式传感器相比具有结构简单,测量范围大,灵敏度高,动态响应快、非接触测量等优点,并能在高温,辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。首先,电容式传感器结构相对简单,因此比较容易投入生产。适应性好强,可大可小,从而可以满足不同需求的测量。用于制作电容式传感器的金属极板材料有可以有多种选择:金、银、铜、黄铜、青铜、铅等,选择范围广,可见适应性比较强。其次,电容式传感器具有动态响应好,分辨率高的特点。由于在极板间的静电引力小,作用能量值也相应降低,能活动的地方可以做的很小很薄,重量轻,因此电容式传感器的固有频率会随之升高,动态响应时间变短,在几兆赫的频率下即可工作,因此,此电容器特别适用于动态测量。又由于需要的输入的能量低,所以即便只是测量极小的压力、力和加速度,也可以做到很灵敏,很精确。电容式传感器在一般情况下可视为纯电容,其容抗值为xc=1/jwc,当w为常数时,容抗随电容

的减小而增大。一般电容式传感器受几何尺寸的限制,其电容量是很小的,有的甚至只有几个皮法,所以,电容式传感器具有高阻抗的特点,又由于电容器本身的c很小,所以电容式传感器呈现小功率的特性。功率小,发热自然低,因此温度的变化对测量的误差很小。对于非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器的不足之处及解决办法:电容式传感器是以静电场有关理论为基础制成的,从静电场角度考虑,影响其工作性能的因素是存在的,因此在设计和应用时,应给予考虑。首先,电容式传感器输出与输人之间的关系出现较大的非线性,这时可以采用差动式结构解决非线性大的局限性,但只能缓解,不能完全消除,这也是电容式传感器使用的局限性。因其电容小,所以负载能力较差,为了提高工作电容值,可以在极板间加入介电常数高的绝缘材料,并减少极板间的间距来间接提高提高电容数值;因其电容值的偏低,所以对后续放大器要求很高,这时可以采用提高电源频率的方法降低容抗值,采用高输入阻抗运放作放大器,以减小在放大环节的信号衰减。采用带通或选频放大技术,对信号频率进行放大而滤去低频信号,采用屏蔽,将传感器和测量电路装在屏蔽壳体中,减少寄生电容和外界干扰的影响,减小极板厚度,增加极板宽度,以削弱极板的边缘效应和非线性误差。

2、电容式传感器的工作原理

电容式传感器实际的基本包括了一个接收器tx与一个发射器rx,

其分别都具有在印刷电路板(pcb)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和尽缘体。当有物体靠近时,电极的电场就会发生改变。从而感应出物体的位移变化量。 在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。此外,在机械制造技术方面,从小批量生产到连续程序控制.从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备.都需要大量的压力传感器。为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转,对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高.测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。二者的基本原理相同,所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构;而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构.对高压和低压两例的接触溶液膜加压后,通过密封液加到感压膜上,感压膜(可变电极)接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置,感压膜的位移,使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差,这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20madc的输出信号。以加速度传感器是根据压电效应[1]。

3、电容式压力传感器的应用举例

电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高,高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现,如一种250mm量程的电容式位移传感器,精

度可达5μm[2]。

(1)电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度 c1、c2工作极板与带材之间形成两个电容, 其总电容为c= c1+c2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时,将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化,并转换和显示出带材的厚度。

(2)电容式转速传感器 当齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率代表转速大小。

(3)电容式压力传感器:电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力,当液体或气体压力作用于弹性膜片,使弹性膜片产生位移,位移导致电容量的变化,从而引起由该电容组成的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,即可指示压力变化量。目前,电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。

(4)电容式测微仪 高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。电容式测微仪整机线路包括高增益主放大器,包括前置放大器,精密整流电路,测振电路和高稳定度稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽,其线路地端和屏蔽盒相连,精密整流电路接地。

(5)电容式加速度传感器 加速度传感器是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化

成电压输出。当然,还有很多其它方法来制作加速度传感器,比如压阻技术,电容效应,热气泡效应,光效应,但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平,走下坡,还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面,如提电脑的硬盘抗摔保护,目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面.

4、结束语

电容式传感器是利用电容器原理,将非电量转化为电容量,进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比,具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点,在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用。电容式传感器本身就是电容

器,在被测量的作用下,将被测量转化成相应的电容变化量。因此,在设计及应用时要根据传感器和被测量间函数关系的一些参数和所采用的介质以及工作条件等来确定采用何种工作方式、结构形式。结构元件的材料以及传感器输出信号的转换原理等。

电容式传感器应用领域主要是压电微位移、振动台,电子显微镜微调,天文望远镜镜片微调,精密微位移测量,量测液体位准、湿

度、以及物质成分等。

参考文献:

[1]孙海峰;崔翔;齐磊;;基于黑箱理论与传统等效电路的无源元件建模方法[j];中国电机工程学报;2010年06期。

[2]蔡利民;孔力;;圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[j];分析仪器;2009年01期。

基金项目:

高职院校民族传统体育文化传播的创新研究(gdgz12y084) 作者简介:

符特(1981—),男,讲师,硕士,主要从事机械工程研究。

范文十:电容式传感器应用与发展Project用 投稿:侯泝泞

电容式传感器应用与发展

摘要:电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置,它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单,体积小,动态响应好,灵敏度高,分辨率高,能实现非接触测量等特点,因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

关键词:电容传感器 触摸屏 测量

一、传感器介绍

电容传感器是以各种类型的电容器作为传感元件,将被测参数微小变化的信息转换成电容量的变化,然后通过测量电路转换成电压输出。

1、原理

当被测物理量能使式中的极板间距,极板面积

或极板介质的相对介电常数发生变化,则电容器的

电容就会改变。如果保持其中两个参数不变,就可

把另一个参数的单一变化转换成电容量的变化,再

通过配套的测量电路,将电容的变化转换为电量信

号输出。

电容传感器的测量电路实际上是测量电容变

化的电路,但电容值很微小,因此必须借助测量电路检出这一微小电容的增量,并将其转换成电压、电流或频率。方可显示、记录或传播。

2、特点

a动态范围大,响应快;

b灵敏度高;

c可以实现非接触测量,无摩擦,不会干扰被测对象的运动状态; d输出阻抗高,功率小;

e抗干扰能力差。

3、类型

电容式传感器可分为三种基本类型:1变极距型—变极板间距。2变面积型—变极板面积。3变介电常数型—介质变化 。

二、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;还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚

度,测量电介质的湿度、密度、厚度等

等,在自动检测和控制系统中也常常用

来作为位置信号发生器。

电容式传感器在汽车中的压力、液

位、湿度、雨量和接近等传感器的应用

中崭露头角。汽车试验学包括试验方法

和试验仪器设备两大因素,现代汽车试

验用仪器设备通常是由传感器,放大器,

信号调制装置,滤波器及数据处理设备

等组成,其中传感器能否真实地反映被

测物理量的全部特征,信号的传输,放大是否失真,试验结果如何表达等都是汽车试验过程必须考虑的重要问题。如:电容式加速度传感器可以测量汽车的加速度;电容式倾角传感器可以测量汽车车轮定位参数。

电容式传感器在新兴手机行业中也有着出色的表现。主流的触摸屏手机采用的都是该传感器在此特别介绍手机电容触摸屏。

电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用,当有导体靠近与层ITO 工作面之间耦合出足够量容值的电容时,流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道,电容值虽然与极间距离成反比,却与相对面积成正比,并且还与介质的的绝缘系数有关。因此,当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作,在潮湿的天气,这种情况尤为严重,手扶住显示器、手掌靠近显

示器7 厘米以内或身体靠近显示

器15 厘米以内就能引起电容屏

的误动作。电容式触摸屏在触摸

屏四边均镀上狭长的电极,在导

电体内形成一个低电压交流电

场。在触摸屏幕时,由于人体电

场,手指与导体层间会形成一个

耦合电容,四边电极发出的电流

会流向触点,而电流强弱与手指

到电极的距离成正比,位于触摸

屏幕后的控制器便会计算电流的

比例及强弱,准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器,更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响,就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍,电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx,其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。大部分的电场都会集中在传感器PCB的两个板层之间。然而,会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面,然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角电容数字转换器来加以量测。电感传感器只能探测金属物质,而电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和绝缘体。巧合的是,这种特性使人类非常适合电场成像,因为人体大部分都是水,介电常数很大,人体还含有离子物质,是良好的电导体,所以当人们的手进入到边缘电场内时,电子环境将会改变,导致一部份的电场会被分流到地线而非回返至接收器终止。此

变化所造成的电容降低范围为毫微微法拉为单位的大小,不同于一般计算电场时所采用的能被转换器检测到的微微法拉大小。

三、电容式传感器的发展趋势

随着微处理器技术的不断进步,电容式传感器技术正在向智能化方向发展,所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能,故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际水位的电容量变化进行实时监控、自动校正;从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题,使电容式传感器所具有的分辨率高、调控能力强、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点能在太阳能热水器的应用上得到充分体现,并可因此而赋予控制系统强大的功能,确保太阳能热水器在水量控制、水温显示、上水、辅助电加热等方面无限接近理想的智能模式,真正开启太阳能热水器家电化时代。

参考文献及网址:

1、自动检测技术第三版 马西秦 P45-53

2、 张志勇、王雪文.传感器原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2005

3、http://www.eetrend.com/forum

4、http://xxgcx.zjtu.edu.cn/jxky

5、http://d.wanfangdata.com.cn

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