《電容傳感器》課件

電容傳感器高精度測(cè)量傳感技術(shù)課程概述基礎(chǔ)理論電容傳感器原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用性能測(cè)評(píng)參數(shù)指標(biāo)與測(cè)試方法發(fā)展前景第一章：電容傳感器基礎(chǔ)基本概念電容原理在傳感器中的應(yīng)用工作機(jī)制電場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為測(cè)量信號(hào)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)電極配置與介質(zhì)排列主要優(yōu)勢(shì)1.1什么是電容傳感器？定義利用電容變化檢測(cè)物理量的傳感裝置基本組成檢測(cè)電極、參考電極與介質(zhì)層工作機(jī)理被測(cè)量引起電容參數(shù)變化1.2電容傳感器的工作原理電場(chǎng)形成電極間建立電場(chǎng)參數(shù)變化被測(cè)量改變電容值信號(hào)轉(zhuǎn)換電容變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為可用測(cè)量結(jié)果1.3電容傳感器的基本結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)感應(yīng)電極與參考電極平行板或指狀結(jié)構(gòu)介質(zhì)層固定或可變介電常數(shù)填充空氣或特種材料支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定電極位置絕緣避免短路1.4電容傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)高精度納米級(jí)分辨率抗干擾性對(duì)環(huán)境因素敏感度低非接觸測(cè)量無(wú)機(jī)械磨損快速響應(yīng)高頻率測(cè)量能力低功耗適合便攜式設(shè)備1.5電容傳感器與其他傳感器的比較傳感器類(lèi)型測(cè)量原理優(yōu)勢(shì)局限性電容式電容變化高精度，非接觸濕度干擾電阻式電阻變化簡(jiǎn)單可靠機(jī)械磨損電感式電感變化抗干擾性好體積大光電式光強(qiáng)變化反應(yīng)速度快環(huán)境光干擾第二章：電容傳感器的類(lèi)型變極距型電極間距變化變面積型有效面積變化變介質(zhì)型介電常數(shù)變化差動(dòng)型兩電容差值測(cè)量2.1變極距型電容傳感器1工作原理電極間距變化導(dǎo)致電容變化2常見(jiàn)結(jié)構(gòu)一固定電極，一可動(dòng)電極3主要應(yīng)用位移、壓力、加速度測(cè)量4特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)非線(xiàn)性響應(yīng)，高靈敏度2.2變面積型電容傳感器基本結(jié)構(gòu)重疊面積可變的電極對(duì)工作機(jī)制有效重疊面積變化改變電容值應(yīng)用場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量，位移檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)線(xiàn)性響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2.3變介質(zhì)型電容傳感器工作原理介質(zhì)特性變化導(dǎo)致電容改變應(yīng)用領(lǐng)域液位、濕度、材料成分檢測(cè)響應(yīng)特性與介電常數(shù)變化成正比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定電極間填充變化介質(zhì)2.4差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)原理兩電容值差異檢測(cè)抗干擾特性共模噪聲自動(dòng)抵消測(cè)量精度高于單電容結(jié)構(gòu)2.5電容傳感器的選擇考慮因素應(yīng)用需求測(cè)量對(duì)象與精度要求環(huán)境條件溫度、濕度、電磁干擾量程要求最大最小測(cè)量范圍成本預(yù)算總體投入限制安裝限制體積、重量、連接方式第三章：電容傳感器的設(shè)計(jì)5設(shè)計(jì)階段從概念到成品的關(guān)鍵步驟3核心部件電極、介質(zhì)、保護(hù)層8設(shè)計(jì)參數(shù)敏感度、線(xiàn)性度、穩(wěn)定性1設(shè)計(jì)目標(biāo)高精度、可靠性、低成本3.1電容傳感器的設(shè)計(jì)原則目標(biāo)明確明確測(cè)量范圍和精度要求結(jié)構(gòu)優(yōu)化電極形狀和尺寸合理化參數(shù)平衡權(quán)衡靈敏度與穩(wěn)定性環(huán)境適應(yīng)考慮工作環(huán)境干擾因素3.2電極設(shè)計(jì)電極形狀多樣：平行板、梳狀、圓柱形、柔性設(shè)計(jì)材料選擇關(guān)鍵：銅、金、銀、導(dǎo)電聚合物3.3絕緣層設(shè)計(jì)材料選擇高絕緣性能低介電損耗環(huán)境穩(wěn)定性厚度考慮足夠隔離電場(chǎng)不過(guò)度減弱信號(hào)保持機(jī)械強(qiáng)度常用材料氧化鋁環(huán)氧樹(shù)脂聚酰亞胺3.4襯底材料選擇剛性襯底玻璃、陶瓷、FR41柔性襯底聚酰亞胺、PET、PDMS2選擇因素機(jī)械性能、介電常數(shù)、成本3環(huán)境適應(yīng)性溫度范圍、化學(xué)穩(wěn)定性43.5接線(xiàn)和封裝設(shè)計(jì)接線(xiàn)方式焊接、壓接、彈簧觸點(diǎn)密封技術(shù)環(huán)氧灌封、熱壓封裝屏蔽設(shè)計(jì)金屬殼、接地層、電磁屏蔽第四章：電容傳感器的測(cè)量電路集成處理數(shù)字信號(hào)處理與輸出信號(hào)調(diào)理放大、濾波、轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)測(cè)量電橋、振蕩、充放電電路4.1電容測(cè)量的基本方法電橋法平衡狀態(tài)下測(cè)量未知電容振蕩法電容值影響振蕩頻率充放電法測(cè)量充放電時(shí)間常數(shù)交流阻抗法分析電容交流響應(yīng)特性4.2電橋電路基本結(jié)構(gòu)兩對(duì)阻抗臂構(gòu)成橋路檢測(cè)橋路平衡電壓電橋類(lèi)型Maxwell橋Schering橋Wien橋優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)：高精度缺：響應(yīng)速度慢缺：復(fù)雜調(diào)零4.3振蕩電路電容值(pF)頻率(kHz)電容值增大，振蕩頻率降低常用RC振蕩器和LC振蕩器4.4充放電電路充電階段恒流源對(duì)電容充電時(shí)間測(cè)量記錄達(dá)到閾值時(shí)間放電階段通過(guò)已知電阻放電電容計(jì)算根據(jù)時(shí)間常數(shù)得出電容值4.5信號(hào)調(diào)理電路前置放大微弱信號(hào)初級(jí)放大濾波處理去除噪聲和干擾信號(hào)轉(zhuǎn)換電容變化轉(zhuǎn)為電壓或頻率信號(hào)線(xiàn)性化補(bǔ)償非線(xiàn)性響應(yīng)輸出驅(qū)動(dòng)提供標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)第五章：電容傳感器的性能指標(biāo)靈敏度輸出信號(hào)與輸入變化比值線(xiàn)性度實(shí)際響應(yīng)與理想線(xiàn)性關(guān)系偏差精確度測(cè)量值與真實(shí)值接近程度量程可測(cè)量的最大最小值范圍5.1靈敏度靈敏度定義：?jiǎn)挝惠斎胱兓a(chǎn)生的輸出變化影響因素：電極面積、間距、介電常數(shù)5.2線(xiàn)性度±0.5%高精度傳感器實(shí)驗(yàn)室級(jí)別精密測(cè)量±1.5%工業(yè)級(jí)傳感器自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用±3%消費(fèi)級(jí)傳感器日常電子設(shè)備應(yīng)用5.3分辨率定義能檢測(cè)的最小電容變化量通常以pF或fF表示影響因素信噪比電路設(shè)計(jì)環(huán)境干擾提高方法屏蔽優(yōu)化低噪聲放大數(shù)字濾波5.4溫度特性溫度(°C)電容值(相對(duì)變化%)溫度變化導(dǎo)致電極熱膨脹和介電常數(shù)變化補(bǔ)償方法：溫度傳感器、算法修正5.5頻率響應(yīng)1低頻響應(yīng)靜態(tài)測(cè)量，穩(wěn)定性好2中頻響應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用工作區(qū)間3高頻響應(yīng)受寄生電容限制4頻率限制電路帶寬和信號(hào)衰減第六章：電容傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于位移、壓力、液位、濕度、接近檢測(cè)等領(lǐng)域從工業(yè)自動(dòng)化到消費(fèi)電子，醫(yī)療設(shè)備到航空航天6.1位移測(cè)量測(cè)量原理位移改變電極間距或重疊面積測(cè)量范圍納米級(jí)至毫米級(jí)位移應(yīng)用領(lǐng)域精密機(jī)床、半導(dǎo)體制造、微納操作主要特點(diǎn)高分辨率、非接觸、低漂移6.2壓力測(cè)量感應(yīng)原理壓力使膜片變形改變電容應(yīng)用場(chǎng)景工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)輪胎測(cè)量范圍幾Pa至數(shù)千MPa環(huán)境適應(yīng)性高溫、腐蝕性環(huán)境6.3液位測(cè)量測(cè)量原理液體介電常數(shù)與空氣不同適用液體水、油、化學(xué)溶液應(yīng)用場(chǎng)景儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)、汽車(chē)燃油6.4濕度測(cè)量檢測(cè)原理水分子吸附改變介電常數(shù)敏感材料聚合物或陶瓷介質(zhì)層測(cè)量范圍0-100%相對(duì)濕度典型應(yīng)用氣象站、空調(diào)、除濕機(jī)6.5加速度測(cè)量工作原理質(zhì)量塊在加速度作用下移動(dòng)導(dǎo)致電極間距變化常見(jiàn)結(jié)構(gòu)MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)懸臂梁或梳狀電極設(shè)計(jì)主要應(yīng)用智能手機(jī)方向感應(yīng)汽車(chē)安全氣囊觸發(fā)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)6.6接近檢測(cè)檢測(cè)原理物體靠近改變電場(chǎng)分布1檢測(cè)距離幾毫米至數(shù)厘米2目標(biāo)物體金屬、非金屬都可檢測(cè)3主要應(yīng)用智能設(shè)備休眠喚醒46.7觸摸感應(yīng)按鍵式單點(diǎn)觸摸檢測(cè)觸摸屏多點(diǎn)位置識(shí)別觸控板手勢(shì)識(shí)別功能第七章：工業(yè)自動(dòng)化中的電容傳感器生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控位置檢測(cè)與對(duì)準(zhǔn)控制質(zhì)量檢測(cè)尺寸測(cè)量與缺陷識(shí)別機(jī)器人技術(shù)精確定位與碰撞避免過(guò)程控制液位、壓力與流量監(jiān)測(cè)7.1生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用物料檢測(cè)存在感知與計(jì)數(shù)尺寸控制非接觸精確測(cè)量位置確認(rèn)組件對(duì)準(zhǔn)與定位速度監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)7.2質(zhì)量控制中的應(yīng)用最終驗(yàn)收成品完整性檢查缺陷檢測(cè)表面和內(nèi)部缺陷識(shí)別3尺寸測(cè)量精確幾何參數(shù)驗(yàn)證材料識(shí)別不同材料分類(lèi)7.3工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用安全監(jiān)測(cè)防碰撞檢測(cè)與人機(jī)協(xié)作精確抓取物體定位與夾持力控制表面跟蹤噴涂、打磨等工藝軌跡控制姿態(tài)調(diào)整適應(yīng)工件位置變化第八章：消費(fèi)電子中的電容傳感器觸控界面手機(jī)觸摸屏與觸控板智能家居家電控制與環(huán)境監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備健康監(jiān)測(cè)與手勢(shì)控制游戲控制器精確輸入與力度檢測(cè)8.1智能手機(jī)觸摸屏投射電容技術(shù)主導(dǎo)市場(chǎng)多點(diǎn)觸控支持復(fù)雜手勢(shì)8.2筆記本電腦觸控板基本結(jié)構(gòu)X-Y柵格電極陣列絕緣覆蓋層功能特點(diǎn)多指手勢(shì)識(shí)別壓力感應(yīng)掌壓排除技術(shù)演進(jìn)單點(diǎn)觸控→多點(diǎn)觸控物理按鍵→力度感應(yīng)平面設(shè)計(jì)→觸覺(jué)反饋8.3智能家電控制面板取代傳統(tǒng)機(jī)械按鍵：更美觀(guān)、防水、易清潔透過(guò)玻璃和塑料感應(yīng)：表面可完全密封第九章：醫(yī)療設(shè)備中的電容傳感器生理監(jiān)測(cè)心率、呼吸、血壓測(cè)量輔助設(shè)備康復(fù)器材與人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)設(shè)備微量分析與樣本檢測(cè)醫(yī)療器械輸液控制與注射系統(tǒng)9.1心電圖測(cè)量非接觸電極隔著衣物檢測(cè)心電信號(hào)可穿戴監(jiān)測(cè)集成于服裝的電極系統(tǒng)床墊監(jiān)測(cè)睡眠中的心電監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)活動(dòng)中的心臟狀態(tài)跟蹤9.2呼吸監(jiān)測(cè)檢測(cè)原理胸腔運(yùn)動(dòng)改變電極位置呼吸氣流改變介電常數(shù)設(shè)備形式胸帶式監(jiān)測(cè)器床墊集成傳感器非接觸式檢測(cè)儀應(yīng)用場(chǎng)景睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)嬰兒呼吸監(jiān)護(hù)重癥患者監(jiān)護(hù)9.3血壓監(jiān)測(cè)脈搏波檢測(cè)血管壁震動(dòng)引起電容變化壓力計(jì)算基于脈搏波形分析估算數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送至智能終端趨勢(shì)分析長(zhǎng)期血壓變化監(jiān)測(cè)第十章：電容傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)微型化更小、更高密度、更低功耗柔性化可彎曲、可拉伸、可穿戴智能化AI算法增強(qiáng)、自適應(yīng)校準(zhǔn)10.1微型化和集成化<1mm2芯片尺寸微機(jī)電系統(tǒng)工藝制造<0.1mW功耗水平納瓦級(jí)電源管理8+集成傳感器多種傳感功能單芯片10.2多功能傳感器多參數(shù)檢測(cè)同時(shí)測(cè)量多種物理量集成處理內(nèi)置信號(hào)處理單元2通信功能無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸能力能源收集自供電運(yùn)行系統(tǒng)410.3柔性電子技術(shù)可穿戴應(yīng)用集成于服裝和配飾人機(jī)交互電子皮膚和觸感反饋醫(yī)療監(jiān)測(cè)貼合人體的健康傳感器智能交通曲面集成的車(chē)載傳感器10.4人工智能與電容傳感器數(shù)據(jù)采集多點(diǎn)高頻率原始信號(hào)特征提取識(shí)別關(guān)鍵模式和特征智能分析機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別和預(yù)測(cè)自適應(yīng)響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)和校準(zhǔn)方法第十一章：電容傳感器