电容式传感器的应用

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100000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8bit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1s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系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)
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