電容式傳感器的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 電容式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展系別 專 業(yè) 班 級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 老 師 電容式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系09級(jí) 自動(dòng)化專業(yè)班 姓名 學(xué)號(hào) 摘要：電容傳感器是將被測(cè)的非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器,它不僅能測(cè)量荷重、位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量,還能測(cè)量液面、料面、成分含量等熱工參量。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動(dòng)態(tài)范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此,電容傳感器在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中占有很重要的地位,并得到廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器有著許多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用也非常廣泛,本文介紹了電容式傳感器的工作原理,應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。1關(guān)

2、鍵詞： 電容式傳感器；應(yīng)用；發(fā)展正文：1 基本原理 電容式傳感器的基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。由物理學(xué)可知,兩個(gè)平行金屬板組成的電容器,如果忽略了邊緣效應(yīng),其電容為C =S/d。可見在三種參數(shù)中保持其中兩個(gè)不變而僅僅改變第三個(gè)參數(shù)電容就會(huì)改變, 因此電容式傳感器可以分為三種類型。 1.1變間距型電容傳感器如圖(1) 所示,1為固定極板,2為可動(dòng)極板。當(dāng)可動(dòng)極板向上移動(dòng)x ,則電容的增量為C =S/(d - x)-S/d= -S/d( x/(d - x) =C0/d( x/(1 -x/d) ,所以靈敏度S =x=C0/d=C0/d(1 +x/

3、d+x/d2+x/d3+) 。從上式中可以看出,電容的變化量與極板移動(dòng)的位移有關(guān),而且當(dāng)x/d< < 1 時(shí),可以近似地認(rèn)為C = S·x ，成線性關(guān)系。為了提高靈敏度可以適當(dāng)減小電容器初始間距和增大初始電容值。 1.2 變面積型電容傳感器如圖(2) 所示,下面的極板為動(dòng)片,上面的極板為定片。當(dāng)動(dòng)片與定片有一相對(duì)線位移時(shí),兩片金屬極板的正對(duì)面積變化,引起電容量的變化。當(dāng)線位移x = 0 時(shí),設(shè)初始電容量為C0 =ab/d,當(dāng)x 0 時(shí),Cx =(a - x) b/d= C0 (1 -x/a) ,因此C = - C0x/a,靈敏度S = -C0/a ?？梢娮兠娣e型傳感器是線

4、性傳感器,增大初始電容可以提高靈敏度。1.3 變介電常數(shù)型電容傳感器2,32 電容式傳感器的應(yīng)用1. 觸摸屏廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ罡鱾€(gè)領(lǐng)域，如手機(jī)、媒體播放器、導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)、PDA、游戲設(shè)備、顯示器、電器控制、醫(yī)療設(shè)備等。主流的觸摸屏分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、聲表面波式觸摸屏、紅外線式觸摸屏等。其中，紅外線式和電容式觸摸屏能夠支持多點(diǎn)觸控，前者由于尺寸限制和線性度不高，尚不能滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求，而電容式觸摸屏因其相對(duì)可接受的成本以及良好的線性度和可操作性，是目前主流的多點(diǎn)觸控技術(shù)。在實(shí)際生活中我們接觸最多的還是電阻式觸摸屏，它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在手機(jī)和隨身數(shù)碼產(chǎn)品當(dāng)中。但電容式觸摸屏

5、將成為發(fā)展趨勢(shì)，替代電阻式觸摸屏。電容式觸摸屏主要有兩種類型：表面式電容觸摸屏和投射式電容觸摸屏。42.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 新技術(shù)、新材料的的應(yīng)用, 電容式測(cè)微儀器應(yīng)用不斷擴(kuò)大, 尤其是在動(dòng)態(tài)和在線檢測(cè)方面具有極廣闊的應(yīng)用前景。主要是電容式變換方法較其它方式具有更多的優(yōu)越性, 如它的輸入能量極低, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快, 自熱效應(yīng)甚微, 穩(wěn)定性好, 內(nèi)磨損誤差小。因此, 特別適宜動(dòng)態(tài)、在線檢測(cè)。它的相對(duì)變化量大, 能用在特殊環(huán)境下工作, 如在強(qiáng)光照射下、在核輻射條件, 過載沖擊震動(dòng)環(huán)境等。53.始于1998年的半導(dǎo)體指紋傳感器應(yīng)用多種新穎技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)指紋圖像采集,包括半導(dǎo)體電容式傳感器、半導(dǎo)體壓感式傳

6、感器 、半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器等,其中,應(yīng)用最廣泛的是硅電容式指紋傳感器。與光學(xué)設(shè)備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同,半導(dǎo)體指紋傳感器采用自動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)指紋圖像像素行及指紋局部范圍敏感程度,在不同環(huán)境下結(jié)合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力,即使對(duì)比度差的圖像也能被有效檢測(cè)到,并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度,生成高質(zhì)量指紋圖像。半導(dǎo)體指紋傳感器優(yōu)點(diǎn)為圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設(shè)備。硅電容式指紋圖像傳感器技術(shù)基礎(chǔ)是電容值檢測(cè),包括常用的直流電容法(如美國(guó)Veridicom 公司FPS200等) 、交流電容法(如Authentec公司的芯片通過測(cè)量手指真皮層交流電

7、容獲取指紋圖像) 。與光學(xué)傳感器掃描指紋不同,硅電容式指紋傳感器通過測(cè)量傳感器與手指接觸/非接觸所產(chǎn)生電流變化(電子度量)檢測(cè)有無指紋,并根據(jù)指紋峰、谷等紋理信息實(shí)現(xiàn)高可靠性圖像搜索。其技術(shù)關(guān)鍵:在半導(dǎo)體金屬陣列集成約100 000個(gè)電容式傳感器(外層絕緣) ,傳感器陣列每一點(diǎn)是個(gè)金屬電極,相當(dāng)于電容器陽極;手指放在上面時(shí),皮膚組成電容另一極,傳感面形成兩極間介電層。電容值隨脊(近的)和谷(遠(yuǎn)的)相對(duì)于傳感器陣列的距離而改變。由于指紋紋路深淺不同,硅表面電容陣列各電容值亦有異,該電容值被轉(zhuǎn)換成8 bit灰度圖像,測(cè)量并記錄各點(diǎn)電容值,即可獲得具有灰度級(jí)指紋圖像。當(dāng)然,各廠商可能采用不同形式電容

8、方法開發(fā)產(chǎn)品,其中,技術(shù)新穎且先進(jìn)的首推Veridicom公司推出的Image2SeekTM ,它通過改變指紋傳感器電容陣列參數(shù),能在1 s內(nèi)掃描多幀指紋圖像,并自動(dòng)選擇圖像質(zhì)量最好的。6 4.日本富士電機(jī)最新研發(fā)的FCX-A系列智能壓力變送器的關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)。通過對(duì)硅微電容傳感器原理和先進(jìn)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)的分析,FCX-A􀀁系列智能變送器采用了由微加工技術(shù)制造的硅微電容傳感器和微處理器, 新型先進(jìn)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu), 多種通信協(xié)議等獨(dú)創(chuàng)的關(guān)鍵技術(shù), 使系列產(chǎn)品具有優(yōu)異的特性和功能。73 電容式傳感器在使用中存在的幾個(gè)問題及處理方法 1.靈敏度的問題 由兩平行板組成的一個(gè)電容器,若忽略

9、其邊緣效應(yīng),其電容量可用下式表示:C =0r/d=s/d(1)式中, S 為極板相互遮蓋面積,單位為m2 ; d 為兩平行板間的距離,單位為m;為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);r 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);0 真空的介電常數(shù)。從上式可以看出,當(dāng)d 小時(shí)可使電容量增大,而使靈敏度增加,但d 過小容易引起電容器擊穿,一般我們可以采取在極板間放置云母來改善,此時(shí)電容C 為兩電容串聯(lián),可寫成:C = s(d - d0)/1+d0/2)(2)式中,1云母片的介電常數(shù);2 空氣的介電常數(shù); d0 為氣隙寬度; d 為兩極板間的距離。云母的介電常數(shù)為空氣的7 倍,云母的擊穿電壓不少于103kv/ mm ,空氣的擊穿

10、電壓僅為3kv/ mm。厚度僅為0. 01mm的云母片,它的擊穿電壓也不小于10kv/mm ,因此有了云母片,極板之間的距離可大大減小,還能使電容傳感器輸出特性的線性得到改善。提高靈敏度除了采用加云母片的方法外,還可以采取以下措施:(1) 提高電源頻率。(2) 減小極板厚度可削弱邊緣效應(yīng)。 2 .電容傳感器中一些量的變化范圍 在變極間距離的電容傳感器中,由于減小極間距離可以提高靈敏度,多用來測(cè)量微米級(jí)的位移,一般極板間距離不超過1mm ,最大位移量應(yīng)限制在間距的1/ 10 范圍內(nèi);在變極板工作面積的傳感器中,可以測(cè)量厘米級(jí)的位移。在電容傳感器中,正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設(shè)計(jì)既可以使

11、傳感器滿足測(cè)量范圍的要求,又可以提高靈敏度,減小非線性誤差。一般其電容的變化在103PF104PF 范圍內(nèi),相對(duì)值C/C的變化則在10 - 61 范圍內(nèi)。電容元件輸出阻抗一般在108106 之間,該數(shù)值還與所采用的交流電源頻率有關(guān)。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度,電源頻率一般采用在50kHz 以上,但是采用高頻電源使信號(hào)放大、傳輸?shù)葐栴}比低頻時(shí)復(fù)雜的多。 3 .分布電容的影響問題 電容傳感器一個(gè)很關(guān)鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略,而且影響還極其嚴(yán)重,其后果是造成傳輸效率降低、靈敏度下降、測(cè)量誤差增加及穩(wěn)定性變差。近幾年來,對(duì)此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”

12、就是一例。 4 .非線性問題變間隙式電容傳感器相對(duì)輸出表達(dá)式為:C/C=d/d1 +d/d+ (d/d) 2 + (d/d) 3 + (3)由上式可知,變間隙式電容傳感器相對(duì)輸出與輸入為非線性關(guān)系。由于d/d< < 1 ,工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法: a) 近似線性處理:即取上式右邊第一項(xiàng)近似,有:C/Cd/d(4) b) 近似非線性處理:即取相對(duì)輸出表達(dá)式的前兩項(xiàng)近似,有:C/C=d/d(1 +d/d) (5)上述兩種近似產(chǎn)生的相對(duì)非線性誤差為:r0 = ±|d/d| ×100 % (6)以上分析說明,相對(duì)非線性誤差r0 與間隙d0 也成反比例關(guān)系

13、,因此提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。在實(shí)際應(yīng)用中,為解決這一矛盾,大都采用差動(dòng)式電容傳感器。84 電容式傳感器的發(fā)展 目前傳感器正在向新型多品種、高精度即小型化、集成化、多功能、智能化方向發(fā)展。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器的缺點(diǎn)不斷地被克服,應(yīng)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(jìn)的數(shù)字式測(cè)量系統(tǒng)。將其測(cè)量部件技術(shù)與微理器的計(jì)算功能結(jié)合為一體,使得測(cè)量?jī)x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(biāo)、實(shí)際測(cè)量準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)的傳感器提高了很多。9 5 參考文獻(xiàn)1.陳 霞 吳春旺 電容傳感器在使用中存在的幾個(gè)問題及處理方法 (濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東濟(jì)寧)2.張白莉 電容式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展 (忻州師范學(xué)院,山西忻州)3.馬西秦 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2008-94.屈偉平 電容式觸摸屏將引領(lǐng)市場(chǎng)潮流 (解放軍76410 部隊(duì)廣西桂林)5.樊玉銘 趙淑蘭 精密電容式測(cè)微儀及其應(yīng)用 (天津大學(xué)精儀學(xué)院天津) (冶金