电容传感器新应用

成绩：
《传感器理论与技术》课后读书报告
题目：电容传感器的新应用
学院精密仪器与光电子工程学院
专业测控技术与仪器
年级2011级
班级**
姓名**
学号3011202***
201*年**月**日
电容传感器的新应用
姓名：**
学号：3011202***
摘要：电容式传感器是将被测量的变化转化为电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器等它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等的测量之中。本文在简单回顾电容传感器基本原理的基础上，着重介绍电容传感器的新应用，其中以超声传感、电容触摸屏介绍为主。
5.2电容式传感在触摸屏中输入方法
主要有两种类型的触摸屏采用电容传感作为主要输入方法：表面式电容和投射式电容。表面电容触摸屏采用一层铟锡氧化物（ITO），外围至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这些电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司（3MMicro- Touch）作为该技术的最主要供应商之一，这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏上。
5.1电容式触摸屏的构造
目前，根据触摸检测技术（即使用传感器原理）的不同，可将触摸屏分为四个基本种类：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。
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。用户触摸屏幕时，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。
当超声波在传播过程中遇到物体时反回,反射回波到达传感器,由传感器接收,此时超声波传感器作为接收器使用。
如不考虑各种损失因素,一个以 振动速度传输的平面波,其声压为:
其中，Z—媒质的声阻抗
则反射波到达传感器时,其传感器接收面S上所受的力 为:
用Y表示接收到反射波的振动膜的位移,则在声压的作用下,振动膜的振动方程为:
电容式传感器的信号产生和接收是通过薄膜的振动来实现的,可将其振动简化为单自由度振动模型来分析,如图2所示。
图2单自由度振动模型
图中M为振动膜质量,h为刚度,R为粘性阻尼,F为外施力。OO'为平衡位置,则当振动膜离开平衡位置X时,其振动方程为:
(2)
在式(2)中的外施力F可以由多种形式的驱动信号产生,常用的有脉冲电压驱动和连续交变电压驱动。该传感器是采用脉冲激励方式。
图6自我电容触摸屏工作过程示意图
交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉到，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器上采用新奇的金刚石模式。X轴方向的传感器形成一层，Y轴方向的传感器形成另外一层，然后加上接地层或者保护层来完成，如图7所示。
（3）改变电介质之介电常数（ ）的介质型传感器。
4.电容传感器在超声传感中的应用
电容式超声波传感器是一种用于高精度非接触测量的新型电容式超声波传感器。该超声波传感器可适用于测距、焊缝跟踪、液位测量等实际应用场合。
具体而言，超声波检测与控制技术是以超声波作为采集信息的手段,能在不损坏和不接触被测量对象的情况下探测对象。产生和接受超声波信号是这项技术最关键的问题。实现产生和接受超声波信号的器件就是超声波传感器。随着无损检测技术和测量控制技术的发展,对超声波传感器的开发和研究在国内外愈来愈受到重视。通过查找相关资料，在研究超声波视觉识别系统中,发现了一种新型的自收自发式电容型超声波传感器,该传感器具有体积小、重量轻、结构简单、控制方便,且信号的上升沿、下降沿都较陡等特点,因而分辨率高,有利于高精度测量。在工业上,具有一定的实际应用价值。
电容传感器的基本原理是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系。即将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。电容器的电容是构成电容器的两电极形状大小、相互位置及介电常数的函数。
对于平板电容器，不考虑边缘电场影响时，其电容量为
（1）
式中 为介质的介电常数； 为极板正对部分面积； 为极板间的距离。只要这3个物理量直接或间接的变化，都会引起电容的变化，通过一定的测量电路将其转换为有用的信号输出，据此判断物理量的变化。
但是表面电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平台上的屏幕）是不切实际的。
传感器利用触摸屏电极发射出的静电场线称为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感技术的电容类型有两种：自我电容和交互电容。
自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种方法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板。该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从而被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。图6表示了上述原则是如何工作的。
4.1电容式超声波传感器的工作原理
电容式超声波传感器是一种自收自发式传感器,它的工作原理同电容型麦克风的工作原理相同,其本质上是一个电容器。它的两极是由一面蒸涂有金属铝的聚乙烯塑料薄膜和有适当厚度的金属背极构成的,。
如图1示意图。
图1电容式传感器示意图
当在两极加上脉冲电压,由于静电引力使塑料薄膜变形,薄膜的高频振动便产生了超声波。当发出的超声波遇到物体时反射回来,反射回波即作用在薄膜上,由于声压的作用,使薄膜发生变形,从而使薄膜与金属背极间的空气间隙发生变化,而引起电容量变化,将其电容量的变化变换成电压信号,即可得到反射回波信号。
3.电容传感器的分类
式（1）中，当被测量 、 或 发生变化时，都会引起电容的变化。如果保
持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三种：
（1）改变极板之距离（ ）的极距型传感器；
（2）改变极板遮盖面积（ ）的面积型传感器；
4.3电容型超声波传感器的应用
该超声波传感器可用于工业机器人的测距、导航以及液面检测等实际应用中。其测距原理是通过测出从发射超声波到接收到反射波所需的时间T,来计算被测物体离传感器的距离L:
式中C为声波在空气介质中的传播速度,其值受温度影响较大,可通过实时采集温度值来加以校正。经实测,利用本传感器在50-850mm比范围内,距离测量误差小于0.2mm.
4、电容式压力传感器（如下图）
5、加速度传感器（如下图）
6、差动式电容测厚传感器（如下图）
7.电容式传感器的应用和发展
电容式传感器虽然存在很多不足,比如:寄生电容影响大,不仅降低了传感器的灵敏度和精度,而且会使仪器工作不稳定,变极距型电容传感器输出成非线性,即使其他类型的电容传感器由于边缘效应的存在,也会出现非线性等。但随着材料、工艺、电子技术尤其是集成技术的高速发展,成功地解决了电容传感器在使用中存在的问题,使之成为一种高灵敏度、高精度,在动态、低压及一些特殊测量方面大有前途的传感器。电容式传感器的应用非常广泛,凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容传感器来测量。
图7 Synaptics用于清除传感器上的金刚石模式
5.3结论
随着混合信号技术的发展，可以利用基于噪声门限和手指门限的反跳法，实现按键开关状态之间的干净利落的转换，从而使得电容式触摸传感器成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案，另外，还提高了检测电路的灵敏度和可靠性。
6.电容传感器在其他方面的应用
关键词：电容传感器新应用超声传感电容触摸屏
1.引言பைடு நூலகம்
电容式传感器（capacitive type transducer）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。
2.电容传感器的基本原理
4.4结论
本电容型超声波传感器体积小、重量轻、结构简单、控制和计算方便,与传统的压电晶体或压电陶瓷超声波传感器相比,具有信号的上升沿、下降沿都较陡,有利于高精度测量的特点,是一种值得深人研究和推广应用到工业非接触检测中的传感器之一
5.电容传感器在电容触摸屏中的应用
随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。直接显示，远程控制和报警。实现数据存储，积算、传输和控制功能。普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统例如：高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系统、造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。粘度计，污染度，湿度计电容式传感器
经拉普拉斯变换可知，超声波传感器作为接收器使用时,接收到的回波信号可转变为电压信号U来处理：
电容式超声波传感器的发射一接收电路采用单片微机控制超声波传感器的发射与接收,其系统控制原理框图如图3所示。AGC电路为自动增益补偿电路,补偿超声波在传播过程中因衰减、散射、吸收等因素引起的信号削弱。图4为超声波发射一接收主电路图。
3、FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。
1、ZCS1100型精密电容位移传感器。本传感器可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。
2、FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器。在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮机、船舶机械。监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。，从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。是理想的在线水分检测传感器。
图3控制系统原理框图
图4超声波发射-接收主电路图
4.2 电容型超声波传感器的结构设计
电容型超声波传感器的直径为26mm ,频率为f=80kHz发射间隔为5-10ms,可由单片微机控制,其结构简图如图5所示。
图5传感器结构简图
在实验中发现,金属背极表面的状况不同,其反射波波形和峰值有很大的区别,对传感器的性能影响较大。经过反复实验研究表明,在金属背极表面上刻有等腰三角形的同心沟槽时,其信号较强,且具有快速上升和下降的特性,适合于高精度的距离测量,因此是一种较理想的结构。