傳感器-第5章(電容式)資料

1、第5章 電容式傳感器 1 以空氣為介質(zhì)，用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為S極板相對(duì)覆蓋面積；極板間距離；r相對(duì)介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。S 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 1、電容式傳感器的工作原理？怎么分類優(yōu)點(diǎn)：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等。缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差；寄生電容影響大。 應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。 、S和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C0?；騍的變化可以反映線位移或

2、角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。三種基本類型：變極距(變間隙)()型、變面積型(S)型、變介電常數(shù)(r)型第5章 電容式傳感器 1 1.變面積型傳感器 變面積式電容傳感器:如右圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其靈敏度為：可見增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。第5章 電容式傳感器 1 第5章 電容式傳感器 1 如右圖所示是此類傳感器的幾種派生形式。圖a是角位移型電容式傳感器，當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化。圖b為齒形極板型電容式

3、傳感器，當(dāng)極板發(fā)生相對(duì)位移后，兩極間的電容發(fā)生變化。中極板采用了鋸齒板，其目的是增加遮蓋面積，提高靈敏度。圖c為圓筒型電容式位移傳感器。在初始位置時(shí)，兩極板相互覆蓋，當(dāng)動(dòng)極板發(fā)生位移后，其電容量發(fā)生變化。abc第5章 電容式傳感器 1 2.變極距型電容傳感器平行板電容器的和S不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型傳感器常用于壓力的測量。如圖示(1為動(dòng)片、2為定片),其靈敏度為:式中可以看到，電容量Cx與位移x不是線性關(guān)系。為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用中大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。兩電容差值為： 第5章 電容式傳感器 1 由式可見，電容傳感器做成差動(dòng)型后之后，靈敏度提高一倍。當(dāng)動(dòng)極

4、板移動(dòng)后，C1和C2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增大，而另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小，這樣可以消除外界因素所造成的測量誤差。第5章 電容式傳感器 1 3、變介電常數(shù)式電容傳感器 在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，傳感器中的電介質(zhì)就會(huì)發(fā)生改變，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。利用這種原理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體的液位和材料的厚度。第5章 電容式傳感器 2 2、電容式傳感器產(chǎn)生誤差因素幾個(gè)？怎么消除？ 邊緣效應(yīng)的影響：當(dāng)極板厚度h和間隙d之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略，否則造成邊緣電場畸變，使工作不穩(wěn)定，非線性誤差增加。解決辦法：適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間

5、距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。第5章 電容式傳感器 2 寄生電容影響：是指除極板外導(dǎo)致并接于電容傳感器上的其他附加電容，如儀器與極板間構(gòu)成的電容和引線的分布電容等。它不僅改變了電容傳感器的電容量，而且由于傳感器本身電容量很小，寄生電容極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致傳感器不能正常工作。解決辦法：(1) 集成化；(2) 采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)；(3) 整體屏蔽。第5章 電容式傳感器 2 易受外界干擾的影響：電容式傳感器是高阻抗傳感元件，易受外界干擾的影響。解決辦法：(1) 屏蔽和接地。(2) 增加原始電容量，降低容抗；(3)盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。 第5章 電容式傳感器

6、 3 3、什么是電容式液位計(jì)？工作原理？圖片？是依據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測介質(zhì)浸汲測量電極的高度變化時(shí)，引起其電容變化。它可將各種物位、液位介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至操作控制室供二次儀表或計(jì)算機(jī)裝置進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式可適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕，易結(jié)晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料。電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套第5章 電容式傳感器 3 4、什么是電容式限位液位計(jì)？工作原理？圖片？ 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給

7、出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。第5章 電容式傳感器 4 液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。第5章 電容式傳感器 4 智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源 指示燈第5章 電容式傳感器 4 5、硅微加工加速度傳感器原理 ？有什么應(yīng)用？ 1加速度測試單元 2信號(hào)處理電路 3襯底 4底層多晶硅（下電極） 5多晶硅懸臂梁 6頂層多晶硅（上電極）第5章 電容式傳感器 5 利用微電子加

8、工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。它的頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。第5章 電容式傳感器 5 硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比

9、正比于加速度的PWM 脈沖。第5章 電容式傳感器 5 加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器的假人氣囊第5章 電容式傳感器 5 汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 第5章 電容式傳感器 5 汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用第5章 電容式傳感器 5 6、鉆地導(dǎo)彈如何實(shí)現(xiàn)延時(shí)爆炸？傳感器安裝位置第5章 電容式傳感器 6 利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈。導(dǎo)

10、彈發(fā)射后，加速度為正值的變量，速度不斷提升，接觸地面的瞬間速度達(dá)到最大值；開始鉆地時(shí)，加速度為負(fù)值的變量，開始減速。這時(shí)候?qū)椑锩娴募铀俣葌鞲衅鳈z測到負(fù)值的加速度，并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較，當(dāng)負(fù)加速度達(dá)到設(shè)定值后處理器控制打開引信引爆炸彈。 7、什么是濕敏電容 ？工作原理？有什么應(yīng)用？第5章 電容式傳感器 7 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和

11、集成化。 濕敏電容外形吸水高分子薄膜第5章 電容式傳感器 7 濕敏電容模塊及傳感器外形第5章 電容式傳感器 7 濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型第5章 電容式傳感器 7 多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 第5章 電容式傳感器 7 8、請解析下圖汽車的電容式油量表的工作原理？ 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x 處）。第5章 電容式傳感器

12、8 電容式油量表 機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。第5章 電容式傳感器 8 該油量表可用于飛機(jī)油箱第5章 電容式傳感器 8 9、什么是電容式接近開關(guān) ？工作原理？應(yīng)用？ 該開關(guān)的的檢測端相當(dāng)于電容的一個(gè)極板，被檢測物為另一個(gè)極板，當(dāng)兩者的距離發(fā)生變化時(shí)，被檢測物體與檢測端之間的電容發(fā)生變化，這時(shí)與檢測端鏈接的檢測電路檢測出電容的變化量，并把它與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)該值大于或小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)就可以得到一個(gè)開關(guān)量。被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。

13、 調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動(dòng)作距離。第5章 電容式傳感器 9 電容式傳感器的感應(yīng)面由兩個(gè)同軸金屬電極構(gòu)成，很象“打開的”電容器電極，該兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電容，串接在RC振蕩回路內(nèi)。電源接通時(shí)，RC振蕩器不振蕩，當(dāng)一目標(biāo)朝著電容器的電靠近時(shí)，電容器的容量增加，振蕩器開始振蕩。通過后級(jí)電路的處理，將振和振蕩兩種信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，從而起到了檢測有無物體存在的目的，該傳感器能檢測金屬物體，也能檢測非金屬物體，對(duì)金屬物體可以獲得最大的動(dòng)作距離，對(duì)非金屬物體作距離決定于材料的介電常數(shù)，材料的介電常數(shù)越大，可獲得的動(dòng)作距離越大。 第5章 電容式傳感器 9 第5章 電容式傳

14、感器 9 第5章 電容式傳感器 9 電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式第5章 電容式傳感器 9 非齊平式接近開關(guān)的安裝 非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。第5章 電容式傳感器 9 全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）第5章 電容式傳感器 9 10、如何在自動(dòng)化進(jìn)料的谷倉內(nèi)設(shè)置傳感器，以達(dá)到自動(dòng)控制進(jìn)料量的目的？ 第5章 電容式傳感器 10 如右圖所示，先計(jì)算谷倉的容積，按容積計(jì)算出相應(yīng)高度對(duì)應(yīng)的容積，然后在谷倉內(nèi)安裝可調(diào)節(jié)高度的電容式接近開關(guān)，當(dāng)進(jìn)倉的谷物觸發(fā)傳感器后，就可以關(guān)閉進(jìn)料螺旋，停止進(jìn)料。調(diào)整傳感器的高度就可以設(shè)定不同的進(jìn)料容量。 電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用第5章 電容式

15、傳感器 10 電容式接近開關(guān)在 液位物位測量控制中的使用第5章 電容式傳感器 10 不同材料的非金屬檢測物對(duì)電容式接近開關(guān)動(dòng)作距離的影響第5章 電容式傳感器 10 第5章 電容式傳感器 11 電容技術(shù)觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的。當(dāng)用戶觸摸電容屏?xí)r，由于人體電場，用戶手指和工作面形成一個(gè)耦合電容，因?yàn)楣ぷ髅嫔辖佑懈哳l信號(hào)，于是手指吸收走一個(gè)很小的電流，這個(gè)電流分別從屏的四個(gè)角上的電極中流出，且理論上流經(jīng)四個(gè)電極的電流與手指頭到四角的距離成比例，控制器通過對(duì)四個(gè)電流比例的精密計(jì)算，得出位置。11、智能手機(jī)電容觸屏用的是什么工作原理？ 第5章 電容式傳感器 11 第5章 電容式傳感器 12

16、 觸摸敏感度 1、電阻觸屏：需用壓力使屏幕各層發(fā)生接觸，可以使用手指（哪怕帶上手套），指甲，觸筆等進(jìn)行操作。支持觸筆在亞洲市場很重要，手勢和文字識(shí)別在哪里都被看重。 2、電容觸屏：來自帶電的手指表層最細(xì)微的接觸也能激活屏幕下方的電容感應(yīng)系統(tǒng)。非生命物體、指甲、手套無效。手寫識(shí)別較為困難。 12、電阻式觸摸屏與電容式觸摸屏比較各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 第5章 電容式傳感器 12 精度 1、電阻觸屏：精度至少達(dá)到單個(gè)顯示像素，用觸筆時(shí)能看出來。便于手寫識(shí)別，有助于在使用小控制元素的界面下進(jìn)行操作。 2、電容觸屏：理論精度可以達(dá)到幾個(gè)像素，但實(shí)際上會(huì)受手指接觸面積限制。以至于用戶難以精確點(diǎn)擊小于1cm2的目

17、標(biāo)。 成本 1、電阻觸屏：很低廉。2、電容觸屏：不同廠商的電容屏價(jià)格比電阻屏貴10%到50%。這點(diǎn)額外成本對(duì)旗艦級(jí)產(chǎn)品無所謂，但可能會(huì)讓中等價(jià)位手機(jī)望而卻步。 第5章 電容式傳感器 12 多點(diǎn)觸摸可行性1、電阻觸屏：不可能，除非重組電阻屏與機(jī)器的電路連接。 2、電容觸屏：取決于實(shí)現(xiàn)方式以及軟件，已在G1的技術(shù)演示以及iPhone上實(shí)現(xiàn)。G1的1.7T版本已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)瀏覽器的多點(diǎn)觸摸特性。 清潔 1、電阻觸屏：由于可以使用觸筆或指甲進(jìn)行操作，更不容易在屏幕上留下指紋、油漬和細(xì)菌。 2、電容觸屏：要用整個(gè)手指進(jìn)行觸摸，但玻璃外層更容易清潔。 第5章 電容式傳感器 12 抗損性 1、電阻觸屏：電阻屏

18、的根本特性決定了它的頂部是柔軟的，需要能夠按下去。這使得屏幕非常容易產(chǎn)生劃痕。電阻屏需要保護(hù)膜以及相對(duì)更頻繁的校準(zhǔn)。有利的方面是，使用塑料層的電阻觸屏設(shè)備總體上更不易損，更不容易摔壞。 2、電容觸屏：外層可以使用玻璃。這樣雖然不至于堅(jiān)不可摧，而且有可能在嚴(yán)重沖擊下碎裂，但玻璃應(yīng)對(duì)日常碰擦和污跡更好。 第5章 電容式傳感器 12 環(huán)境適應(yīng)性 1、電阻觸屏：具體數(shù)值不得而知。但有證據(jù)表明使用電阻屏的Nokia 5800可以在-15C至+45C的溫度下正常工作，對(duì)濕度也沒什么要求。 2、電容觸屏：典型的操作溫度在0至35之間，需要至少5%的濕度(工作原理所限)。 陽光下可視效果 1、電阻觸屏：通常很

19、糟，額外的屏幕層面反射了大量陽光。 2、電容觸屏：仍舊很好。 第5章 電容式傳感器 13 13、什么是電容式指紋傳感器？工作原理？ 電容式指紋傳感器：有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(jìn)行信息采集。這兩類電容式指紋傳感器的工作原理為：當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感電容像素電極上時(shí)，電容會(huì)有所增加，通過檢測增加的電容來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)：體積小、成本低；缺點(diǎn)：不耐磨。第5章 電容式傳感器 設(shè)計(jì)題1 視頻中的是一種90自動(dòng)化紙箱包裝生產(chǎn)線，要安裝傳感器首先確定什么地方有動(dòng)作、什么地方要安裝傳感器、需要檢測什么變量。動(dòng)作1：閉合后蓋，傳感器

20、類型：接近開關(guān)動(dòng)作2：打包裝帶，傳感器類型：接近開關(guān)動(dòng)作3：堆疊計(jì)數(shù)，傳感器類型：接近開關(guān)動(dòng)作4：提升紙箱，傳感器類型：接近開關(guān)動(dòng)作5：打包裝帶，傳感器類型：接近開關(guān)動(dòng)作6：纏繞薄膜，傳感器類型：接近開關(guān)動(dòng)作7：轉(zhuǎn)圈計(jì)數(shù)，傳感器類型：接近開關(guān)、變面積型電容式傳感器第5章 電容式傳感器 設(shè)計(jì)題2 a.檢測距離：短距離、長距離、刻度排布 b.產(chǎn)品計(jì)數(shù)：適用任何物體的計(jì)件 c.檢測生產(chǎn)線有無產(chǎn)品：必須把需計(jì)數(shù)的產(chǎn)品等間距放在一勻速往前輸送的輸送帶上 d.控制傳送帶的速度：e.控制轉(zhuǎn)盤的的轉(zhuǎn)速： 第5章 電容式傳感器 設(shè)計(jì)題3 1彈性膜片 2凹玻璃圓片 3金屬涂層 4輸出端子 5空腔 6過濾器 7殼體

21、 壓力差 、電容 、變化量 第5章 電容式傳感器 設(shè)計(jì)題4 面積相等、距離相同 、兩個(gè)電容器 、上下兩個(gè)極板間距 、帶材的振動(dòng) 第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 電容式加速度傳感器 電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-14所示。質(zhì)量塊4由兩根彈簧片3支撐置于充滿空氣的殼體2內(nèi)，彈簧較硬使系統(tǒng)的固有頻率較高，因此構(gòu)成慣性式加速度計(jì)的工作狀態(tài)。 l、5固定極板；2殼體；3彈簧片；4質(zhì)量塊；6絕緣體第5章 電容式傳感器 電容式液位(料位)傳感器 電容式液位(料位)傳感器是利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種介質(zhì)型電容傳感器。如圖3-15所示為用于檢測非導(dǎo)電液體的電容式傳感器。它將被測介質(zhì)的液位高度變化轉(zhuǎn)為電容器電量的變化，當(dāng)被測液體的液面在電容傳感器的兩同心圓柱形電極間發(fā)生