電容傳感器新應用

1、成績： 傳感器理論與技術課后讀書報告題目： 電容傳感器的新應用 學 院 精密儀器與光電子工程學院 專 業(yè) 測控技術與儀器 年 級 2011級 班 級 * 姓 名 * 學 號 3011202* 201*年*月*日電容傳感器的新應用姓名：* 學號：3011202*摘要：電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器具有結構簡單、動態(tài)響應快、易實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點。隨著電子技術的發(fā)展，它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點不斷得以克服，而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器等它廣泛應用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等的測量之

2、中。本文在簡單回顧電容傳感器基本原理的基礎上，著重介紹電容傳感器的新應用，其中以超聲傳感、電容觸摸屏介紹為主。關鍵詞：電容傳感器 新應用 超聲傳感 電容觸摸屏1. 引言 電容式傳感器（capacitive type transducer）是把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。2. 電容傳感器的基本原理 電容傳感器的基本原理是基于物體間的電容量與其結構參數(shù)之間的關系。即將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。電容器的電容是構成電容器的兩電極形狀大小、相互位

3、置及介電常數(shù)的函數(shù)。對于平板電容器，不考慮邊緣電場影響時，其電容量為c=s （1）式中為介質(zhì)的介電常數(shù)；s為極板正對部分面積；為極板間的距離。只要這 3 個物理量直接或間接的變化，都會引起電容的變化，通過一定的測量電路將其轉(zhuǎn)換為有用的信號輸出，據(jù)此判斷物理量的變化。3. 電容傳感器的分類 式（1）中，當被測量、s 或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳感器分為下三種：（1） 改變極板之距離（）的極距型傳感器；（2） 改變極板遮蓋面積（s）的面積型傳感器；（3） 改變電介質(zhì)之介電

4、常數(shù)（）的介質(zhì)型傳感器。4. 電容傳感器在超聲傳感中的應用 電容式超聲波傳感器是一種用于高精度非接觸測量的新型電容式超聲波傳感器。該超聲波傳感器可適用于測距、焊縫跟蹤、液位測量等實際應用場合。 具體而言，超聲波檢測與控制技術是以超聲波作為采集信息的手段, 能在不損壞和不接觸被測量對象的情況下探測對象。產(chǎn)生和接受超聲波信號是這項技術最關鍵的問題。實現(xiàn)產(chǎn)生和接受超聲波信號的器件就是超聲波傳感器。隨著無損檢測技術和測量控制技術的發(fā)展, 對超聲波傳感器的開發(fā)和研究在國內(nèi)外愈來愈受到重視。通過查找相關資料，在研究超聲波視覺識別系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)了一種新型的自收自發(fā)式電容型超聲波傳感器, 該傳感器具有體積小、重

5、量輕、結構簡單、控制方便, 且信號的上升沿、下降沿都較陡等特點, 因而分辨率高, 有利于高精度測量。在工業(yè)上, 具有一定的實際應用價值。4.1 電容式超聲波傳感器的工作原理 電容式超聲波傳感器是一種自收自發(fā)式傳感器, 它的工作原理同電容型麥克風的工作原理相同, 其本質(zhì)上是一個電容器。它的兩極是由一面蒸涂有金屬鋁的聚乙烯塑料薄膜和有適當厚度的金屬背極構成的,。如圖1示意圖。圖1 電容式傳感器示意圖當在兩極加上脈沖電壓, 由于靜電引力使塑料薄膜變形, 薄膜的高頻振動便產(chǎn)生了超聲波。當發(fā)出的超聲波遇到物體時反射回來, 反射回波即作用在薄膜上, 由于聲壓的作用, 使薄膜發(fā)生變形, 從而使薄膜與金屬背極

6、間的空氣間隙發(fā)生變化, 而引起電容量變化, 將其電容量的變化變換成電壓信號, 即可得到反射回波信號。 電容式傳感器的信號產(chǎn)生和接收是通過薄膜的振動來實現(xiàn)的, 可將其振動簡化為單自由度振動模型來分析, 如圖2所示。 圖2 單自由度振動模型 圖中M為振動膜質(zhì)量,h為剛度,R為粘性阻尼, F為外施力。OO' 為平衡位置, 則當振動膜離開平衡位置X時, 其振動方程為: MX+RX+hX=F (2) 在式(2)中的外施力F可以由多種形式的驅(qū)動信號產(chǎn)生, 常用的有脈沖電壓驅(qū)動和連續(xù)交變電壓驅(qū)動。該傳感器是采用脈沖激勵方式。 當超聲波在傳播過程中遇到物體時反回,反射回波到達傳感器, 由傳感器接收,

7、此時超聲波傳感器作為接收器使用。 如不考慮各種損失因素, 一個以X 振動速度傳輸?shù)钠矫娌? 其聲壓為:P=ZX其中，Z媒質(zhì)的聲阻抗則反射波到達傳感器時, 其傳感器接收面S上所受的力fr為:fr=PS=ZXS 用Y表示接收到反射波的振動膜的位移, 則在聲壓的作用下,振動膜的振動方程為:MY+RY+hY=fr 經(jīng)拉普拉斯變換可知，超聲波傳感器作為接收器使用時,接收到的回波信號可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朥來處理：U=E0Y(t)/d 電容式超聲波傳感器的發(fā)射一接收電路采用單片微機控制超聲波傳感器的發(fā)射與接收,其系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示。AGC電路為自動增益補償電路,補償超聲波在傳播過程中因衰減、散射、吸收等

8、因素引起的信號削弱。圖4為超聲波發(fā)射一接收主電路圖。 圖3 控制系統(tǒng)原理框圖 圖4 超聲波發(fā)射-接收主電路圖4.2 電容型超聲波傳感器的結構設計 電容型超聲波傳感器的直徑為26mm , 頻率為f=80kHz 發(fā)射間隔為5-10ms,可由單片微機控制, 其結構簡圖如圖5 所示。 圖5 傳感器結構簡圖 在實驗中發(fā)現(xiàn), 金屬背極表面的狀況不同, 其反射波波形和峰值有很大的區(qū)別, 對傳感器的性能影響較大。經(jīng)過反復實驗研究表明,在金屬背極表面上刻有等腰三角形的同心溝槽時,其信號較強,且具有快速上升和下降的特性,適合于高精度的距離測量, 因此是一種較理想的結構。 4.3 電容型超聲波傳感器的應用 該超聲波

9、傳感器可用于工業(yè)機器人的測距、導航以及液面檢測等實際應用中。其測距原理是通過測出從發(fā)射超聲波到接收到反射波所需的時間T, 來計算被測物體離傳感器的距離L:L=12CT式中C 為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度,其值受溫度影響較大,可通過實時采集溫度值來加以校正。經(jīng)實測,利用本傳感器在50-850mm比范圍內(nèi), 距離測量誤差小于0.2mm.4.4 結論本電容型超聲波傳感器體積小、重量輕、結構簡單、控制和計算方便, 與傳統(tǒng)的壓電晶體或壓電陶瓷超聲波傳感器相比, 具有信號的上升沿、下降沿都較陡, 有利于高精度測量的特點,是一種值得深人研究和推廣應用到工業(yè)非接觸檢測中的傳感器之一5. 電容傳感器在電容觸摸屏

10、中的應用 隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地談到觸摸屏。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。觸摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。利用這種技術，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當，這種技術大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。5.1 電容式觸摸屏的構造 目前，根據(jù)觸摸檢測技術（即使用傳感器原理）的不同，可將觸摸屏分為四個基本種類：電阻技術觸摸屏、電容技

11、術觸摸屏、紅外線技術觸摸屏、表面聲波技術觸摸屏。 電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器。電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。用戶觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵埃或油漬，電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。

12、5.2電容式傳感在觸摸屏中輸入方法 主要有兩種類型的觸摸屏采用電容傳感作為主要輸入方法：表面式電容和投射式電容。表面電容觸摸屏采用一層銦錫氧化物（ITO），外圍至少有四個電極。當一個接地的物體靠近時，例如手指，這些電極能夠感應表面電容的變化。3M 微觸公司（3MMicro- Touch）作為該技術的最主要供應商之一，這種方法很長一段時間被用在信息亭觸摸屏上。但是表面電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識別一個手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平臺上的屏幕）是不切實際的。傳感器利用觸摸屏電極發(fā)射出的靜電場線稱為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感技術的電容類

13、型有兩種：自我電容和交互電容。自我電容又稱絕對電容，是最廣為采用的一種方法。它把被感覺的物體作為電容的另一個極板。該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到。所測量的電荷存儲在結果電容耦合中。圖6表示了上述原則是如何工作的。圖6 自我電容觸摸屏工作過程示意圖交互電容又叫做跨越電容，它是通過相鄰電極的耦合產(chǎn)生的電容。當被感覺物體靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，交互電容的改變被感覺到，從而報告出位置。在汽車應用中交互電容傳感器上采用新奇的金剛石模式。X軸方向的傳感器形成一層，Y軸方向的傳感器形成另外一層，然后加上接地層或者保護層來完成，如圖7所示。 圖7 Synaptics用于

14、清除傳感器上的金剛石模式5.3 結論 隨著混合信號技術的發(fā)展，可以利用基于噪聲門限和手指門限的反跳法，實現(xiàn)按鍵開關狀態(tài)之間的干凈利落的轉(zhuǎn)換，從而使得電容式觸摸傳感器成為各種消費電子產(chǎn)品中機械式開關的一種實用、增值型替代方案，另外，還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性。6. 電容傳感器在其他方面的應用 1、 ZCS1100型精密電容位移傳感器。本傳感器可以在線檢測壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測量等。該傳感器是一個單一的通道，高性能線性位移測量系統(tǒng)，創(chuàng)新的電容位移測量技術，提供了納米測量能力，成本低，適合測量任何導電目標。2、FWS-C型在線電容式水分檢測傳感器。

15、在線檢測各種工作機械的液壓、潤滑系統(tǒng)介質(zhì)的含水率，特別是外部水容易滲入機械內(nèi)部的軋鋼機、造紙機、汽輪 機、船舶機械。 監(jiān)視循環(huán)油系統(tǒng)是否存在泄漏，如水冷卻器等。 監(jiān)視工作機械的密封元件是否損壞，引起外部水滲入。 監(jiān)視環(huán)境空氣濕度對潤滑液壓系統(tǒng)油品品質(zhì)和含水率的影響。，從而精確測定潤滑油質(zhì)量，預測設備故障，是設備潤滑油管理中的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，測量精度高，工作穩(wěn)定，具有較強的抗電磁干擾性能。封閉型不銹鋼制外殼具有很好的防水防塵性能?？芍苯影惭b于工廠現(xiàn)場液壓潤滑管道上。是理想的在線水分檢測傳感器。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，在線、連續(xù)、實時

16、的檢測各種低水分油品的含水率。直接顯示，遠程控制和報警。實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。普遍應用于大中型機械聯(lián)動機組的液壓、潤滑循環(huán)系統(tǒng) 例如：高線軋機和板帶軋機潤滑油系統(tǒng)、板帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)、造紙機組潤滑系統(tǒng)、船舶機械潤滑系統(tǒng)、燃料油庫。粘度計，污染度，濕度計電容式傳感器3、FW-C1型電容式潤滑油實時在線監(jiān)測傳感器。本傳感器可以在線準確測定潤滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它機械化學雜質(zhì)污染度，從而精確測定潤滑油質(zhì)量，判定是否需要更換潤滑油，即可節(jié)約油料，又能預測設備故障，是設備潤滑油管理中改變傳統(tǒng)的按期換油，實現(xiàn)按質(zhì)換油的關鍵部件。本傳感器采

17、用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，是理想的在線潤滑油檢測傳感器，可普遍應用于各類大型動力機械，軸承，齒輪箱，泵機和汽輪機的潤滑油檢測質(zhì)量實時檢測中。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。 4、電容式壓力傳感器（如下圖）5、加速度傳感器（如下圖）6、差動式電容測厚傳感器（如下圖）7. 電容式傳感器的應用和發(fā)展 電容式傳感器雖然存在很多不足,比如:寄生電容影響大,不僅降低了傳感器的靈敏度和精度,而且會使儀器工作不穩(wěn)定,變極距型電容傳感器輸出成非線性,即使其他類型的電容傳感器由于邊緣效應的存在,也會出現(xiàn)非線性等。但隨著材料、工藝、電子技術尤其是集成技術的高速發(fā)展,成功地解決了電容傳感器在使用中存在的問題,使之成為一種高靈敏度、高精度,在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有前途的傳感器。電容式傳感器的應用非常廣泛,凡是可以轉(zhuǎn)換為間距、面積和介電常數(shù)的量都可以用電容傳感器來測量。 近年來隨著科學技術的發(fā)展,電容式傳感器的缺點不斷地被克服,應用也越來越廣泛,尤其是出現(xiàn)了數(shù)字式智能化的電容式傳感器,它是一種先進的數(shù)字式測量系統(tǒng)。將其測量部件技術與微處理器的計算功能結合為一體,使得測量儀表至控制儀表成為全數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字式智能化傳感器的綜合性能指標、實際測量