电容式传感器的应用
电容式传感器的应用场合
电容式传感器的应用场合
电容式传感器是一种常用的传感器类型，可以广泛应用于工业自动化、机器人控制、电子设备、医疗器械等领域。
本文将从以下几个方面介绍电容式传感器的应用场合。
一、距离测量
电容式传感器可用于测量物体的距离。
通过测量物体与传感器之间的电容值，可以计算出物体与传感器之间的距离。
这种测量方法非常精确，可用于测量各种尺寸范围内的物体距离。
二、液位检测
电容式传感器可以用于检测液位，例如测量水箱、油箱、储液罐等液体容器内液位的变化。
通过测量液体与传感器之间的电容值，可以确定液位的高低。
这种检测方法精度高、灵敏度高，可应用于各种液体容器的液位检测。
三、重量测量
电容式传感器也可以用于测量物体的重量。
通过将物体放置在传感器上，测量传感器与物体之间的电容值变化，可计算出物体的重量。
这种重量测量方法精度高、稳定性好，可应用于各种物体的重量测量。
四、姿态检测
电容式传感器也可用于检测物体的姿态，包括倾斜、旋转等。
通过安装多个传感器，并测量其之间的电容值变化，可以确定物体的姿态。
这种姿态检测方法精度高、灵敏度高，可应用于机器人控制、航空航天等领域。
总之，电容式传感器具有广泛的应用场合，其高精度、高灵敏度、稳定性好等特点，使其成为各种自动化设备、检测仪器的关键组成部分。
随着技术的不断发展，电容式传感器的应用领域将会更加广泛，为各种领域的发展提供更加精确、可靠的技术支持。
电容式传感器应用实例演示
电容式传感器应用实例演示电容式传感器是一种广泛应用于工业领域的传感器之一，它通过测量电容的变化来检测环境中的物理量。
其原理是利用了介质的电容与其周围环境的关系，当介质的性质或位置发生改变时，电容值也会发生相应的变化。
以下是几个电容式传感器应用实例的演示：1.液位检测：在液体储罐中安装电容式液位传感器，通过测量液位与罐壁之间的电容变化来确定液位的高低。
当液位上升时，液体与罐壁之间的介电常数增加，导致电容值增加；反之，当液位下降时，电容值减小。
这种液位检测方法广泛应用于石油、化工等行业。
2.触摸传感：将电容式传感器应用于触摸屏上，能够实现触摸位置的精确检测。
触摸屏上覆盖了一层由导电材料制成的感应层，当手指接触屏幕时，手指周围的电场会影响感应层上的电容。
通过测量这个电容的变化，可以确定手指触摸的位置，并将其转化为相应的控制信号。
3.地热能利用：利用地下的地热能作为供暖或供冷的能源已经成为一种环保的方式。
电容式传感器可以用于监测地下能源的温度变化，通过测量地下水或土壤的电容来确定温度变化的幅度和趋势。
这种监测方式有助于科学合理地利用地下的地热能，提高能源利用效率。
4.空气质量检测：通过检测空气中各种气体的电容变化，可以判断空气质量的优劣。
电容式传感器能够感知空气中的气体浓度变化，从而实时监测空气中的有害气体浓度。
将这些传感器应用于空气净化器或环境监测设备上，可以实时监测和改善室内空气质量。
5.智能农业：电容式传感器可以应用于农业领域，实现土壤湿度的准确测量。
根据土壤的含水量不同，土壤的电容也不同，通过测量土壤与传感器之间的电容变化，可以判断土壤的湿度状况。
利用这些数据，可以实现精准的灌溉控制，提高农作物的产量和质量。
总结：电容式传感器广泛应用于液位检测、触摸传感、地热能利用、空气质量检测和农业等领域。
通过测量电容的变化，可以实现对环境中各种物理量的检测和监测。
随着科技的不断进步，电容式传感器在各个领域的应用也将不断扩大和深入。
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
电容式传感器的应用
4、电容传声器
采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊 电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器 极板，故名为驻极体电容传声器。
变极距型应用：电容式传声器
7、电容式接近开关 被测物体 感应电极
振荡电路
被测电容
传感器技术及应用
传感器技术及应用
电容式传感器的应用
1.2 电容式传感器的应用举例 1、电容式测微仪
探头
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 S
动振幅。在最大量程为（100±5）
h
μm时，最小检测量为0.01μm。 右图为电容式测微仪测头原 被测件
理图。
图4.17 电容式测微仪原理图
2、电容式压力传感器
压力变送器 陶瓷电容压力传感器
3.电容式加速度传感器
右图为电容式加速 度传感器的结构示意图。
4
5
A面
6
2
质量块4由两根簧片3支
Cx1
3
撑于充满空气的壳体2
内，弹簧较硬使ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ统的 2
固有频率较高，因此构
Cx2
成惯性式加速度计的工 作状态。
B面
1
1、5—固定极板；2—壳体；3—簧片；4—质量块；6—绝缘体
图4.20（a）为单只变极距型电容式传感器原理图。 用于测量气体或液体压力。
图4.20（b）为一种 小型差动电容式压 力传感器。可用于 微小压力。
3 P
1
2
4
5
6
P
（a）单只电容式压力传感器 （b）差动电容式压力传感器 图 4.20 电容式压力传感器
产品.
液体压力 作用在陶 瓷膜片的 表面，使 膜片产生 位移。
电容式传感器原理及其应用
电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。
当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。
1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。
2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。
3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。
4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。
5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。
6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。
7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。
8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。
总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。
其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。
电容式传感器在日常生活中的应用
精密电容位移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。
在线电容式水分检测传感器能够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。
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。
电容式润滑油实时在线监测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。
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电容式传感器的应用
1.3.2 TR230型容栅测微传感器
1) 工作原理
如图所示，容栅传感器是一种无差调节的闭 环控制系统，基本测量部分是一个差动电容器， 它是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变 成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子 电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械 位移量的大小。
2) 外型尺寸
具体结构尺寸为：
其中，前置器DT610：供电±15VDC；输 出0 — 10V；（可选）DC24：供电DC24VDC； 输出0 — 10V；或DC9/36：供电9 — 36VDC； 输出0 — 10V。
4）技术参数
在室温20℃，传感器电缆长为1米的情况 下测得的。在被测材料为金属材料时，测量信 号线性特性，不需重新校准。导电性能的变化 不会影响传感器灵敏度和线性。
5）线性化校准
它在出厂时已用金属材料校 准好，输出0 — 10V。
在精度低时测量范围可扩展2 - 3倍，如下图所示。
6）传感器和电缆
传感器带有保护环，它用1米长电缆 同前置器连接起来。应用时，无须再校 准，灵敏度误差在0.5 — 1%以内。特殊 传感器请咨询。所有传感器无安装座， 也能简单安装。固定通常用埋头螺钉或 者开口夹（如右图所示）。
TR230型的L0=31（mm） ，L=194（mm）；
3）技术指标 I. 测量范围：0-30mm/0-50mm/0100mm II. 分辨率：0.01mm、0.005mm III. 测力：≤2.5N IV. 最大移动速度：1.5M/s V. 工作温度：10℃-40℃ VI. 存储温度：0℃-55℃
1）工作原理
被测介质的两种压力通入高、低两 压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两 侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ元 件 内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产 生位移，其位移量和压力差成正比，故 两侧电容就不等，通过检测，放大转换 成4-20mA的
简述电容式传感器工作原理及应用
简述电容式传感器工作原理及应用电容式传感器是一种常见的传感器类型，它通过测量电容的变化来检测目标物体的某种特性或环境参数。
其工作原理基于电容的基本定律，即电容与两个电极之间的距离和介电常数成正比。
因此，当目标物体靠近或远离电容式传感器时，电容的值会发生变化，进而通过电路进行测量和分析。
电容式传感器的工作原理可以简单地描述为：当传感器的电极之间存在一定的电场时，根据电容公式可以得知电容C与电场E之间的关系为C=εA/d，其中C表示电容，ε表示介电常数，A表示电极面积，d表示电容之间的距离。
当目标物体靠近电容式传感器时，目标物体会改变电场的分布，导致电容的值发生变化。
这个变化可以通过电路进行测量和分析，从而得知目标物体的特性或环境参数。
电容式传感器具有多种应用。
以下是几个常见的应用示例：1. 接近传感器：电容式传感器可以用于检测目标物体与传感器之间的距离。
当目标物体靠近传感器时，电容的值会发生变化，从而可以实现对目标物体的接近检测。
这种应用广泛用于自动门、智能家居和机器人等领域。
2. 液位传感器：电容式传感器可以用于测量液体的液位。
通过将传感器的电极部分浸入液体中，液体与电极之间的介质常数会影响电容的值。
通过测量电容的变化，可以得知液体的液位信息。
这种应用常见于化工、石油和食品等行业。
3. 触摸传感器：电容式传感器可以用于触摸屏和触摸按钮等设备中。
当手指接触传感器时，手指与传感器之间的电场会发生变化，导致电容的值发生变化。
通过测量电容的变化，可以实现触摸的检测和定位。
这种应用广泛用于智能手机、平板电脑和汽车导航系统等设备中。
4. 湿度传感器：电容式传感器可以用于测量空气中的湿度。
通过将传感器的电极部分暴露在空气中，空气中的湿度会影响电容的值。
通过测量电容的变化，可以得知空气中的湿度信息。
这种应用常见于气象、农业和室内环境监测等领域。
电容式传感器通过测量电容的变化来检测目标物体的特性或环境参数。
它具有灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于工业、农业、医疗和消费电子等领域。
电容式传感器的应用和发展
电容式传感器的应用和发展
一、电容式传感器及其应用
1、什么是电容式传感器
电容式传感器是一种能够检测被测目标电容值的变化而产生额外的电
路反应的传感器。
它的特点是可以检测到微小的变化，适用于多种检测应用，如温度、湿度、压力、电阻、反应物浓度的测量。
简单的电容式传感
器由两个平板相互垂直放置，当外界目标的电容发生变化时，传感器的输
出电流也会发生变化。
2、电容式传感器的应用
（1）温度、湿度检测：电容式传感器可以应用于温度、湿度的检测，是温湿度检测技术的重要组成部分。
它可以直接检测温度和湿度变化，并
能够迅速反映温度和湿度的变化，采用更安全、可靠、精确的方法进行环
境检测。
（2）电阻、电容测量：电容式传感器可以用来测量低电阻、电容等。
它可以检测目标物体的负载电容、相对湿度、电阻率等参数，从而实现目
标物体的检测。
它具有较高的精度，可以检测准确性，从而对特定测量应
用起到保护作用。
（3）测量气体浓度：电容式传感器可以用来测量气体浓度。
它可以
根据气体的电容和湿度的变化，可以实现精确测量气体浓度。
它比其他技
术具有更高的精度和可靠性，可以提高工业检测效率。
（4）测量液位：电容式液位传感器可以测量液位。
电容式传感器的应用PPT课件
6
1. 电容式差压变送器
3.4 电容式传感器的应用
CA
PL
CL
dx
d0
C0
CL CA CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
即：C0
CACL CA CL
CL
CAC0 CA C0
;
CH
CAC0 CA C0
(1) 半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压 感介质材料,它们依照指纹的外表 地形(凹凸)转化为相应的电子信号,
并进一步产生具有灰度级的指纹 图像。
(3) 硅电容指纹图像传感器
(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊
和远离设备的谷温度的不同就可 以获得指纹图像。
这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵
环形二极管电路
Cx
2 hx
ln D
d
I f E(Cx Cd )
f ECx
ΔE=E2-E1；
f=1/T0，为方波的频率；
在方波频率和幅值一定的情况 下，输出电流的变化与液位成 正比。
3.4 电容式传感器的应用
d
ε0
hx
ε
D
测定电极 绝缘层 水
E2
E1
T1 T2
A e
V D4
V
D1
Cx B
V
D2
i1
电容C与液位h1之间呈线性关系. 15
3. 电容式液位计
3.4 电容式传感器的应用
(1)安装形式
电容式液位计的安装形式因被
2024年电容式传感器市场分析现状
2024年电容式传感器市场分析现状引言电容式传感器是一种常见的传感器类型，广泛应用于工业自动化、汽车、通信、医疗和消费电子等领域。
本文将对电容式传感器市场的现状进行分析，并探讨其发展趋势。
市场规模电容式传感器市场规模庞大，据研究机构预测，2019年全球电容式传感器市场规模达到了100亿美元。
市场的增长主要受到汽车、消费电子和工业自动化等领域对传感器的需求推动。
主要应用领域汽车行业汽车行业是电容式传感器的主要应用领域之一。
电容式传感器广泛应用于车身稳定性控制、制动系统、安全气囊和驾驶员辅助等方面。
随着电动汽车和智能汽车的兴起，电容式传感器在汽车行业的需求将进一步增加。
工业自动化工业自动化领域对传感器的需求也非常强劲。
电容式传感器可以用于测量流体、液位、压力和温度等参数，广泛应用于工业过程控制、仪器仪表和机器人等设备中。
消费电子消费电子是电容式传感器的另一个重要市场。
手机、平板电脑、智能手表和智能家居设备等产品中都大量使用了电容式传感器，如触摸屏、重力感应器和接近传感器等。
市场竞争格局电容式传感器市场竞争激烈，主要厂商包括Honeywell、Murata、TDK、EPCOS 和AVX等。
这些公司在技术研发、产品质量和市场渗透能力方面都具有竞争优势。
市场发展趋势小型化和集成化随着电容式传感器技术的进步，传感器尺寸愈发小型化，同时也越来越集成化。
小型化和集成化的传感器能够更方便地应用于各个领域，满足产品设计的需求。
高精度和高稳定性市场对电容式传感器的要求越来越高，需要传感器具备更高的精度和更好的稳定性。
随着传感器制造技术的进步，高精度和高稳定性的电容式传感器逐渐得到市场认可。
新兴应用领域随着人工智能、物联网、无人驾驶和智能制造等新兴技术的发展，电容式传感器也将在更多的领域得到应用。
例如，在智能家居设备、机器人和无人机等领域，电容式传感器有着广阔的发展前景。
结论电容式传感器市场规模庞大，应用领域广泛，但市场竞争激烈。
电容式传感器的应用举例.
电容式传感器的应用举例
电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振 幅(可测至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。
0
当测量导电固体的料位时，采用
P93图4—22（b）方案。
4、电容式位移传感器
1. 平面测端（电极） 2. 绝缘衬塞 3. 弹簧 7. 螺母
振动位移测量
电容式振动位移传感器应用示意图
贝尔实验室
指纹传感芯片：电容感应原理
Veridicom的指纹传感芯片表面由300×300个电容传感 器组成。 当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器 的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导致硅 表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各 点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。
r1
前述公式：
2x C ln D / d
h
对照着应用：
0
hx
20 h hx 2hx C ln r2 / r1 ln r2 / r1
r2
内外极板间要加绝缘层！
注意：不做特殊处理的情况下，仅可用于检测非导电液体介质。
20 h hx 2hx C ln r2 / r1 ln r2 / r1 C 2 0 S hx ln r2 / r1 h
电容式传感器及应用—电容式传感器的工作原理及其结构形式(传感技术课件)
平板形变面积式电容传感器的容量变化
设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板 随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减
小，电容Cx 为
Cx
b(a0
d0
x)
C0
1
x a0
式中C0 — 初始电容值
C0
ba0
d0
在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。
变面积式电容式传感器（角位移）
+ + +
变面积式电容式传感器（线位移）
线位移型电容式传感器分： 平面线位移型和圆柱线位移型两 种。
变面积式电容式传感器（线位移）
对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆 盖长度h变化时2 / r 1)
圆柱线位移型电容式传感器公式推导
由高斯定理可知，两导体间的电场强度E为 E
λ：单位长度电荷绝对值；r≤ l ≤R；
2 0l
E的方向垂直于轴平面沿辐射方向。
两柱形导体间的电位差为
B
R
R
U AB
Edl
A
r
2 0l
dl
2 0
ln
r
在圆柱形电容器每个极板上的总电荷 Q L
由电容定义得圆柱形电容器的电容为
C Q
L
20 L
U AB
r1、r2：电极板的内、外径；
当液面高度不为0时，电容量为：
C
C1
C2
20 (h hx )
ln r2
2 hx
ln r2
2 0 h
ln r2
2 ( 0 )hx
ln r2
r1
电容式传感器的研究与应用
电容式传感器的研究与应用摘要电容式传感器，一种依据电容变化原理运作的高灵敏度传感设备，在当代科技舞台彰显了其与众不同的效能与广阔的应用潜力。
本文全面解析了电容式传感器的运作机制，通过解构其基础构造与电容量测定技巧，揭示了其如何有效且精确地捕获被监测参数的变化。
进一步地，通过详尽探讨电容式传感器在工业自动化、汽车电子系统、航空航天技术及环境监控等多个关键领域的实际应用案例，本研究强调了其几大核心优势：超高的测量精度、无需接触的检测方式、优秀的电磁干扰抵御能力，以及在恶劣环境条件下依旧保持高水平性能的稳定性，从而深刻体现了电容式传感器在现代科技应用中的重要价值。
本文还详细讨论了电容式传感器在设计和应用过程中需要解决的关键技术问题，包括提高测量精度和稳定性、降低外界干扰以及实现微型化和集成化等挑战。
此外，为确保电容式传感器在实际应用中的性能最优化，本文还介绍了性能评估的方法，包括灵敏度、精度和稳定性等关键指标的测试与分析。
通过实验结果的对比与讨论，本文为电容式传感器的设计优化和应用拓展提供了有价值的参考。
电容式传感器凭借其独特的优势和广泛的应用前景，已成为现代科技领域中不可或缺的一部分。
未来，随着物联网、人工智能等技术的不断发展，电容式传感器将在更多领域发挥重要作用，为科技进步和社会发展做出更大贡献。
关键词：电容式传感器；工作原理；应用前景；性能评估；关键技术问题；工业自动化；汽车电子；环境监测目录摘要 (1)第一章引言 (3)1.1 电容式传感器概述 (3)1.2 研究背景与意义 (4)1.3 国内外研究现状 (5)第二章电容式传感器的工作原理 (7)2.1 电容式传感器的结构 (7)2.2 工作原理分析 (7)2.3 关键技术问题 (8)第三章电容式传感器的应用 (10)3.1 工业自动化领域的应用 (10)3.2 汽车电子领域的应用 (10)3.3 其他领域的应用 (11)第四章电容式传感器的性能评估 (13)4.1 性能评估方法 (13)4.2 实验结果与讨论 (14)第五章结论与展望 (15)5.1 研究结论 (15)5.2 未来发展方向 (15)第一章引言1.1 电容式传感器概述电容式传感器是一种利用电容变化来检测和测量各种参量的装置。
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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)
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.韩建武强发红富士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。