電容傳感器新應(yīng)用

1、成績(jī)： 傳感器理論與技術(shù)課后讀書報(bào)告題目： 電容傳感器的新應(yīng)用 學(xué) 院 精密儀器與光電子工程學(xué)院 專 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 年 級(jí) 2011級(jí) 班 級(jí) * 姓 名 * 學(xué) 號(hào) 3011202* 201*年*月*日電容傳感器的新應(yīng)用姓名：* 學(xué)號(hào)：3011202*摘要：電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點(diǎn)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(yīng)用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等的測(cè)量之

2、中。本文在簡(jiǎn)單回顧電容傳感器基本原理的基礎(chǔ)上，著重介紹電容傳感器的新應(yīng)用，其中以超聲傳感、電容觸摸屏介紹為主。關(guān)鍵詞：電容傳感器 新應(yīng)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(cè)的機(jī)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(gè)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(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。即將被測(cè)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(gòu)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(duì)于平板電容器，不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，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(duì)部分面積；為極板間的距離。只要這 3 個(gè)物理量直接或間接的變化，都會(huì)引起電容的變化，通過一定的測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為有用的信號(hào)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(dāng)被測(cè)量、s 或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)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(yīng)用 電容式超聲波傳感器是一種用于高精度非接觸測(cè)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(cè)距、焊縫跟蹤、液位測(cè)量等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。 具體而言，超聲波檢測(cè)與控制技術(shù)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(cè)量對(duì)象的情況下探測(cè)對(duì)象。產(chǎn)生和接受超聲波信號(hào)是這項(xiàng)技術(shù)最關(guān)鍵的問題。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生和接受超聲波信號(hào)的器件就是超聲波傳感器。隨著無損檢測(cè)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)超聲波傳感器的開發(fā)和研究在國(guó)內(nèi)外愈來愈受到重視。通過查找相關(guān)資料，在研究超聲波視覺識(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便, 且信號(hào)的上升沿、下降沿都較陡等特點(diǎn), 因而分辨率高, 有利于高精度測(cè)量。在工業(yè)上, 具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(fēng)的工作原理相同, 其本質(zhì)上是一個(gè)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(dāng)厚度的金屬背極構(gòu)成的,。如圖1示意圖。圖1 電容式傳感器示意圖當(dāng)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(dòng)便產(chǎn)生了超聲波。當(dāng)發(fā)出的超聲波遇到物體時(shí)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(hào), 即可得到反射回波信號(hào)。 電容式傳感器的信號(hào)產(chǎn)生和接收是通過薄膜的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的, 可將其振動(dòng)簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)模型來分析, 如圖2所示。 圖2 單自由度振動(dòng)模型 圖中M為振動(dòng)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(dāng)振動(dòng)膜離開平衡位置X時(shí), 其振動(dòng)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(dòng)信號(hào)產(chǎn)生, 常用的有脈沖電壓驅(qū)動(dòng)和連續(xù)交變電壓驅(qū)動(dòng)。該傳感器是采用脈沖激勵(lì)方式。 當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到物體時(shí)反回,反射回波到達(dá)傳感器, 由傳感器接收,

7、此時(shí)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(gè)以X 振動(dòng)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(dá)傳感器時(shí), 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(dòng)膜的位移, 則在聲壓的作用下,振動(dòng)膜的振動(dòng)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(shí),接收到的回波信號(hào)可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)U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(jī)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(dòng)增益補(bǔ)償電路,補(bǔ)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(hào)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)控制, 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。 圖5 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在實(shí)驗(yàn)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(duì)傳感器的性能影響較大。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(shí),其信號(hào)較強(qiáng),且具有快速上升和下降的特性,適合于高精度的距離測(cè)量, 因此是一種較理想的結(jié)構(gòu)。 4.3 電容型超聲波傳感器的應(yīng)用 該超聲波

9、傳感器可用于工業(yè)機(jī)器人的測(cè)距、導(dǎo)航以及液面檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用中。其測(cè)距原理是通過測(cè)出從發(fā)射超聲波到接收到反射波所需的時(shí)間T, 來計(jì)算被測(cè)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(shí)時(shí)采集溫度值來加以校正。經(jīng)實(shí)測(cè),利用本傳感器在50-850mm比范圍內(nèi), 距離測(cè)量誤差小于0.2mm.4.4 結(jié)論本電容型超聲波傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制和計(jì)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(hào)的上升沿、下降沿都較陡, 有利于高精度測(cè)量的特點(diǎn),是一種值得深人研究和推廣應(yīng)用到工業(yè)非接觸檢測(cè)中的傳感器之一5. 電容傳感器在電容觸摸屏

10、中的應(yīng)用 隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們?cè)絹碓蕉嗟卣劦接|摸屏。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)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(shè)備。觸摸屏不僅適用于中國(guó)多媒體信息查詢的國(guó)情，而且觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。利用這種技術(shù)，我們用戶只要用手指輕輕地碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)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(gòu)造 目前，根據(jù)觸摸檢測(cè)技術(shù)（即使用傳感器原理）的不同，可將觸摸屏分為四個(gè)基本種類：電阻技術(shù)觸摸屏、電容技

11、術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。 電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃，雙玻璃設(shè)計(jì)能徹底保護(hù)導(dǎo)體層及感應(yīng)器。電容式觸摸屏在觸摸屏四邊均鍍上狹長(zhǎng)的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。用戶觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)，手指與導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，而電流強(qiáng)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(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)器，更有效地防止外在環(huán)境因素對(duì)觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準(zhǔn)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(gè)電極。當(dāng)一個(gè)接地的物體靠近時(shí)，例如手指，這些電極能夠感應(yīng)表面電容的變化。3M 微觸公司（3MMicro- Touch）作為該技術(shù)的最主要供應(yīng)商之一，這種方法很長(zhǎng)一段時(shí)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(shí)別一個(gè)手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對(duì)于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平臺(tái)上的屏幕）是不切實(shí)際的。傳感器利用觸摸屏電極發(fā)射出的靜電場(chǎng)線稱為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感技術(shù)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(duì)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(gè)極板。該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應(yīng)出電荷，從而被感覺到。所測(cè)量的電荷存儲(chǔ)在結(jié)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(dāng)被感覺物體靠近從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的電場(chǎng)線時(shí)，交互電容的改變被感覺到，從而報(bào)告出位置。在汽車應(yīng)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(hù)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(jié)論 隨著混合信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，可以利用基于噪聲門限和手指門限的反跳法，實(shí)現(xiàn)按鍵開關(guān)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(fèi)電子產(chǎn)品中機(jī)械式開關(guān)的一種實(shí)用、增值型替代方案，另外，還提高了檢測(cè)電路的靈敏度和可靠性。6. 電容傳感器在其他方面的應(yīng)用 1、 ZCS1100型精密電容位移傳感器。本傳感器可以在線檢測(cè)壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等。該傳感器是一個(gè)單一的通道，高性能線性位移測(cè)量系統(tǒng)，創(chuàng)新的電容位移測(cè)量技術(shù)，提供了納米測(cè)量能力，成本低，適合測(cè)量任何導(dǎo)電目標(biāo)。2、FWS-C型在線電容式水分檢測(cè)傳感器。

15、在線檢測(cè)各種工作機(jī)械的液壓、潤(rùn)滑系統(tǒng)介質(zhì)的含水率，特別是外部水容易滲入機(jī)械內(nèi)部的軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、汽輪 機(jī)、船舶機(jī)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(jī)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(duì)潤(rùn)滑液壓系統(tǒng)油品品質(zhì)和含水率的影響。，從而精確測(cè)定潤(rùn)滑油質(zhì)量，預(yù)測(cè)設(shè)備故障，是設(shè)備潤(rùn)滑油管理中的關(guān)鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)可靠，測(cè)量精度高，工作穩(wěn)定，具有較強(qiáng)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。可直接安裝于工廠現(xiàn)場(chǎng)液壓潤(rùn)滑管道上。是理想的在線水分檢測(cè)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(shí)時(shí)

16、的檢測(cè)各種低水分油品的含水率。直接顯示，遠(yuǎn)程控制和報(bào)警。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，積算、傳輸和控制功能。普遍應(yīng)用于大中型機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)組的液壓、潤(rùn)滑循環(huán)系統(tǒng) 例如：高線軋機(jī)和板帶軋機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、板帶軋機(jī)和棒線軋機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)、造紙機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)、船舶機(jī)械潤(rùn)滑系統(tǒng)、燃料油庫。粘度計(jì)，污染度，濕度計(jì)電容式傳感器3、FW-C1型電容式潤(rùn)滑油實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)傳感器。本傳感器可以在線準(zhǔn)確測(cè)定潤(rùn)滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它機(jī)械化學(xué)雜質(zhì)污染度，從而精確測(cè)定潤(rùn)滑油質(zhì)量，判定是否需要更換潤(rùn)滑油，即可節(jié)約油料，又能預(yù)測(cè)設(shè)備故障，是設(shè)備潤(rùn)滑油管理中改變傳統(tǒng)的按期換油，實(shí)現(xiàn)按質(zhì)換油的關(guān)鍵部件。本傳感器采

17、用螺紋連接，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)可靠，是理想的在線潤(rùn)滑油檢測(cè)傳感器，可普遍應(yīng)用于各類大型動(dòng)力機(jī)械，軸承，齒輪箱，泵機(jī)和汽輪機(jī)的潤(rùn)滑油檢測(cè)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)中。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(dòng)式電容測(cè)厚傳感器（如下圖）7. 電容式傳感器的應(yīng)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(huì)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(yīng)的存在,也會(huì)出現(xiàn)非線性等。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)尤其是集成技術(shù)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(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有前途的傳感器。電容式傳感器的應(yīng)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(cè)量。 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)與微處理器的計(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