3電容式傳感器解析

1、電容式傳感器 14級張立偉電容式傳感器1定義2分類及工作原理3汽車上的應(yīng)用4對比電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點5缺點和不足6對于缺點的解決辦法7應(yīng)用前景1 電容式傳感器的定義把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器2分類及工作原理若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為式中o是真空介電常數(shù),r是材料的介電常數(shù)，為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、A、 三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)

2、變化型三類。0 rAACdd a）極距d變化型 Pa a）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖 b b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1 1定極板定極板 2 2動極板動極板 傳感器的輸出特性傳感器的輸出特性C =f(d)C =f(d)不是線性關(guān)系不是線性關(guān)系, , 而是雙曲線關(guān)系。電容式傳感器起而是雙曲線關(guān)系。電容式傳感器起 始電容量始電容量一般設(shè)置在十幾皮法至幾十皮法，極板間隙設(shè)在一般設(shè)置在十幾皮法至幾十皮法，極板間隙設(shè)在1001000m1001000m的范圍的范圍比較妥當(dāng)，動極板移動位移應(yīng)該小于兩極板間距比較妥當(dāng)，動極板移動位移應(yīng)該小于兩極板間距1/101/41/101/4，電容可增，電

3、容可增加加2323倍倍Phmaxd0CACLCHC0PHPL 00000CCCCCCCCCCCCCCCAAHAALLALA; 電容式稱重傳感器電容式稱重傳感器Fb)面積變化型圖圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板?？梢宰笥乙苿樱Q為動極板。極板極板2固定不動，稱為定極板。圖固定不動，稱為定極板。圖b b是同心圓筒形變面積式傳感器。外是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c c是一個角位移是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由被測物體帶動而旋

4、轉(zhuǎn)一個角位移的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度時，兩度時，兩極板的遮蓋面積極板的遮蓋面積A A就減小，因而電容量也隨之減小。就減小，因而電容量也隨之減小。c)介質(zhì)變化型 因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)電容傳感器的結(jié)構(gòu)較多 dDlnhkC）（01變介電常數(shù)電容傳感器的結(jié)構(gòu)較多，應(yīng)用也比較廣泛，其中根據(jù)一些非導(dǎo)電固體的濕度變化，介質(zhì)自身介電常數(shù)變化的電容傳感器，可以用來測量糧食、紡織品、木材、煤炭等物質(zhì)的濕度可以用來測量紙張，絕緣薄

5、膜等的厚度等 CBRR0C1C2C1L2L補充：小結(jié) 基本的工作原理式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、 三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。0 rAACdd 3汽車上的應(yīng)用汽車加速度傳感器濕度傳感器觸摸開關(guān)為甲醇汽車設(shè)計的電容式液位傳感器遙控開關(guān)胎壓檢測汽車指紋防盜汽車加速度傳感器汽車空調(diào)濕度傳感器濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。電阻式的濕度傳感器：濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度

6、。缺點：濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。電容式的濕度傳感器：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、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，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濕度成正比。上圖為高分子濕度傳感器(電容式濕度傳感器)的構(gòu)造如圖所示即為電容變化型的構(gòu)造，在高分子膜上各蒸鍍一電極膜片，上方的電極為多孔性以吸收水份，高分子膜吸收水份之后，其介電系數(shù)將改變，致使感濕組件之電容量改變。如圖 所示為電阻變化型的構(gòu)造，它是在氧化鋁（Al2O

7、3）基板上鍍上一對梳形狀之電極，再于其上添加感濕高分子膜聚乙烯醇（PVA），然后以聚苯乙烯硫酸銨（PSS）涂抹之后燒結(jié)而成。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測量范圍是（1%99%）RH，在55%RH時的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/，濕度滯后量為1.5%，

8、響應(yīng)時間為5s。市面上的一些電容式濕度傳感器 觸摸開關(guān)與早期的車型相比,如今汽車的開關(guān)和按鈕要多得多。不僅數(shù)目眾多,而且還必須能夠很輕易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外,它們還需具備本錢效益性,以取代密封型開關(guān)。一種逐漸走紅的方法是轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎秒娙菔接|摸開關(guān)（CapSense）。由于未采用機械式部件,而且能夠與成形操縱面相吻合,因此CapSense開關(guān)提供了汽車行業(yè)所需要的可靠性和價位。 如圖1所示,電容式開關(guān)基本上就是一個由兩根相鄰走線形成的電容器;物理定律決定了在它們之間存在電容。假如把一個導(dǎo)體（比如：手指）放置在靠近這些極板的地方,則一個并聯(lián)電容將與該傳感器相耦合。當(dāng)把手指放置于電

9、容式傳感器之上時,電容將增加。拿開手指后,電容將減小。在增加了用于丈量電容變化的電路之后,就可以確定手指的存在與否了。推廣應(yīng)用：只要一根走線、間隔、另一根走線,這就是組成一個電容式傳感器的全部所需。直接在這些走線上覆蓋一層盡緣透明塑料膜即可使其成為電路板的一部分?？梢越柚糜诤蟠安ＡСF器的玻璃印刷電路技術(shù)來把它們做在車窗上。也可以采用絲網(wǎng)印刷工藝將其做在其它材料的表面,并使之與彎曲的表面相吻合,這樣它們便可適合于汽車中幾乎所有的應(yīng)用。為甲醇設(shè)計的電容式液位傳感器現(xiàn)在，為了提高燃油經(jīng)濟性，不少汽車改裝成了天然氣或者甲醇作為燃料，原車油位傳感器使用一只滑動電阻器通過浮子的帶動來改變電阻的大小，最

10、終在儀表盤上顯示出油位的高低。但當(dāng)使用在甲醇中時，觸點會被逐步腐蝕，最終造成油位傳感器失效，給行車帶來不便和不安全因素。一般的解決方法：目前有人設(shè)計一款可以減小流過滑動電阻電流的部件試圖延緩傳感器的腐蝕，但由于不同車型傳感器使用不同的材質(zhì)，這一方法并沒有較好的穩(wěn)定性；還有一種目前常用的解決辦法是通過一只帶磁浮球透過密封的鋼管來開合干簧管，但國產(chǎn)干簧管的品質(zhì)穩(wěn)定性較差，產(chǎn)品可靠性并不高，而且由于部分產(chǎn)品并不是使用可以耐甲醇的浮球，浮球在被甲醇滲透后，浮力喪失，造成傳感器穩(wěn)定性下降。電容式的液位傳感器如果使用為甲醇設(shè)計的電容式液位傳感器，電容式液位傳感器無任何可動部件，由內(nèi)、外兩層彼此絕緣的不銹鋼

11、管組成，當(dāng)進(jìn)入兩層管中的液位發(fā)生變化時，由兩層管形成的電容的容量也相應(yīng)發(fā)生變化，信號調(diào)理器檢測到這一變化，并與存儲的校準(zhǔn)值進(jìn)行比較，經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換后輸出一個對地電阻變的信號。這樣就很好的解決的了甲醇腐蝕液位傳感器的問題 遙控開關(guān)遙控開關(guān)非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點火或?qū)﹄妱哟暗捏槲槐Ｗo(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無鑰匙汽車一個重要的必要條件是盡可能使輸入電流最低標(biāo)準(zhǔn)情況是低于100A。多年以來制造商已經(jīng)將-轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化,因此已有一些適合的體系結(jié)構(gòu)。胎壓檢測在車庫或車輛安全檢測站均可配置采用電容觸控壓力感應(yīng)的設(shè)備。當(dāng)一輛車駛過相應(yīng)的感應(yīng)設(shè)備時，系統(tǒng)通過輪胎與設(shè)備接觸時的壓力分布計算出胎

12、壓是否正常。當(dāng)胎壓過高時，感應(yīng)設(shè)備中部的傳感器將承受更大的壓力，而當(dāng)胎壓過低時，兩端的傳感器則承受更大壓力。在車輛的四輪定位中也能看到相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用。汽車指紋防盜汽車現(xiàn)在的一種防盜手段就是指紋防盜，同時這種防盜手段被廣泛應(yīng)用到了生活的實例中，比如手機指紋識別，筆記本指紋識別，保險柜等等4 電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器優(yōu)點(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板 間靜電引力極小(約幾個10-5 N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的 測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏,分辨力非常髙，能 感

13、受0.001m甚至更小的位移。(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對穩(wěn)定性影響甚微。(3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，待測體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感 器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,可做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強 磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進(jìn)行測量。(4)動態(tài)響應(yīng)好。由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很 高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。例如非接觸測量回轉(zhuǎn)

14、軸的振動或偏心、小型滾珠 軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工作表面粗糙 等對測量的影響。（6）價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性強等5電容式傳感器存在的不足之處缺點1：輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式稱重傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制不易做得很大，一般為幾十到幾百微法，甚至只有幾個微法。因此，電容式稱重傳感器的輸出阻抗高，因而負(fù)載能力差，易受外界干擾影響產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作。必須采取妥善的屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高，否則絕

15、緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能，為此還要特別注意周圍的環(huán)境如溫度、清潔度等。若采用高頻供電，可降低電容式稱重傳感器的輸出抗阻，但高頻放大、傳感器遠(yuǎn)比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不易保證工作的穩(wěn)定性。缺點2：輸出特性非線性 電容式稱重傳感器的輸出特性是非線性的，雖采用差分型來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將于傳感器電容器直接疊加，使輸出特性非線性。缺點3：寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容(lm2m導(dǎo)線可達(dá)800 pF)、測 量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)

16、體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降 低了傳感器的靈敏度;另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn) 定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對 電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。8 解決辦法還可以從材料本身的選擇上改進(jìn)下，采用屏蔽性好、自身分布電容小的高頻電線作為引線，引線粗而短為減小電纜分布電容影響，可將電子線 路的前級裝在離傳感器敏感部分很近的地 方，或采用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)”，這種技術(shù)又稱“驅(qū)動電纜”技術(shù)。這種方法的基本思路 是:連接電纜采用內(nèi)外雙層屏蔽，使內(nèi)屏蔽層 與被屏蔽的導(dǎo)線電位相同，因而兩者之間沒 有容性電流存在，這樣使引線與內(nèi)屏蔽之間 的電纜電容不起作用，外屏蔽仍被接地而對 外界電場起屏蔽作用，其原理如圖5 - 15所 示。外屏蔽接地后，對地之間電容將成為1:1放大器的負(fù)載，它也與電容式傳感