电容式传感器1

第5章电容式传感器1以空气为介质，用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。SδεSSCr0上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？1、电容式传感器的工作原理？怎么分类优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。缺点：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容影响大。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0。δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。三种基本类型：变极距(变间隙)(δ)型、变面积型(S)型、变介电常数(εr)型第5章电容式传感器11.变面积型传感器变面积式电容传感器:如右图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动Δx后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其灵敏度为：可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。ddCbKxd第5章电容式传感器1第5章电容式传感器1如右图所示是此类传感器的几种派生形式。图a是角位移型电容式传感器，当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化。图b为齿形极板型电容式传感器，当极板发生相对位移后，两极间的电容发生变化。中极板采用了锯齿板，其目的是增加遮盖面积，提高灵敏度。图c为圆筒型电容式位移传感器。在初始位置时，两极板相互覆盖，当动极板发生位移后，其电容量发生变化。abc第5章电容式传感器12.变极距型电容传感器平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。如图示(1为动片、2为定片),其灵敏度为:式中可以看到，电容量Cx与位移x不是线性关系。为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。两电容差值为：2)(xdAdxdCKox002ddCC第5章电容式传感器1由式可见，电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。当动极板移动后，C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。第5章电容式传感器13、变介电常数式电容传感器在电容器两极板间插入不同介质，传感器中的电介质就会发生改变，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。第5章电容式传感器22、电容式传感器产生误差因素几个？怎么消除？边缘效应的影响：当极板厚度h和间隙d之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略，否则造成边缘电场畸变，使工作不稳定，非线性误差增加。解决办法：适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。第5章电容式传感器2寄生电容影响：是指除极板外导致并接于电容传感器上的其他附加电容，如仪器与极板间构成的电容和引线的分布电容等。它不仅改变了电容传感器的电容量，而且由于传感器本身电容量很小，寄生电容极不稳定，从而导致传感器不能正常工作。解决办法：(1)集成化；(2)采用“驱动电缆”技术；(3)整体屏蔽。第5章电容式传感器2易受外界干扰的影响：电容式传感器是高阻抗传感元件，易受外界干扰的影响。解决办法：(1)屏蔽和接地。(2)增加原始电容量，降低容抗；(3)尽可能一点接地，避免多点接地。第5章电容式传感器33、什么是电容式液位计？工作原理？图片？是依据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化。它可将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式可适用于高温、高压、强腐蚀，易结晶，防堵塞，防冷冻及固体粉状、粒状物料。电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套第5章电容式传感器34、什么是电容式限位液位计？工作原理？图片？液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。第5章电容式传感器4液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。第5章电容式传感器4智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯第5章电容式传感器45、硅微加工加速度传感器原理？有什么应用？1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）第5章电容式传感器5利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。它的频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。第5章电容式传感器5硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。第5章电容式传感器5加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊第5章电容式传感器5汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。第5章电容式传感器5汽车气囊对驾驶员的保护作用第5章电容式传感器56、钻地导弹如何实现延时爆炸？传感器安装位置第5章电容式传感器6利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹。导弹发射后，加速度为正值的变量，速度不断提升，接触地面的瞬间速度达到最大值；开始钻地时，加速度为负值的变量，开始减速。这时候导弹里面的加速度传感器检测到负值的加速度，并与设定的标准值比较，当负加速度达到设定值后处理器控制打开引信引爆炸弹。7、什么是湿敏电容？工作原理？有什么应用？第5章电容式传感器7湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化。湿敏电容外形吸水高分子薄膜第5章电容式传感器7湿敏电容模块及传感器外形第5章电容式传感器7湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型第5章电容式传感器7多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形第5章电容式传感器78、请解析下图汽车的电容式油量表的工作原理？当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。第5章电容式传感器8电容式油量表机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。第5章电容式传感器8该油量表可用于飞机油箱第5章电容式传感器89、什么是电容式接近开关？工作原理？应用？该开关的的检测端相当于电容的一个极板，被检测物为另一个极板，当两者的距离发生变化时，被检测物体与检测端之间的电容发生变化，这时与检测端链接的检测电路检测出电容的变化量，并把它与预设的标准值进行比较，当该值大于或小于标准值时就可以得到一个开关量。被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。第5章电容式传感器9电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的，该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。第5章电容式传感器9第5章电容式传感器9第5章电容式传感器9电容式接近开关外形齐平式非齐平式第5章电容式传感器9非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。第5章电容式传感器9全密封防水式远距离式（大量程）第5章电容式传感器910、如何在自动化进料的谷仓内设置传感器，以达到自动控制进料量的目的？第5章电容式传感器10如右图所示，先计算谷仓的容积，按容积计算出相应高度对应的容积，然后在谷仓内安装可调节高度的电容式接近开关，当进仓的谷物触发传感器后，就可以关闭进料螺旋，停止进料。调整传感器的高度就可以设定不同的进料容量。电容式接近开关在液位测量控制中的使用第5章电容式传感器10电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用第5章电容式传感器10不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响第5章电容式传感器10第5章电容式传感器11电容技术触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。11、智能手机电容触屏用的是什么工作原理？第5章电容式传感器11第5章电容式传感器12触摸敏感度1、电阻触屏：需用压力使屏幕各层发生接触，可以使用手指（哪怕带上手套），指甲，触笔等进行操作。支持触笔在亚洲市场很重要，手势和文字识别在哪里都被看重。2、电容触屏：来自带电的手指表层最细微的接触也能激活屏幕下方的电容感应系统。非生命物体、指甲、手套无效。手写识别较为困难。12、电阻式触摸屏与电容式触摸屏比较各有什么优缺点？第5章电容式传感器12精度1、电阻触屏：精度至少达到单个显示像素，用触笔时能看出来。便于手写识别，有助于在使用小控制元素的界面下进行操作。2、电容触屏：理论精度可以达到几个像素，但实际上会受手指接触面积限制。以至于用户难以精确点击小于1cm2的目标。成本1、电阻触屏：很低廉。2、电容触屏：不同厂商的电容屏价格比电阻屏贵10%到50%。这点额外成本对旗舰级产品无所谓，但可能会让中等价位手机望而却步。第5章电容式传感器12多点触摸可行性1、电阻触屏：不可能，除非重组电阻屏与机器的电路连接。2、电容触屏：取决于实现方式以及软件，已在G1的技术演示以及iPhone上实现。G1的1.7T版本已经可以实现浏览器的多点触摸特性。清洁1、电阻触屏：由于可以使用触笔或指甲进行操作，更不容易在屏幕上留下指纹、油渍和细菌。2、电容触屏：要用整个手指进行触摸，但玻璃外层更容易清洁。第5章电容式传感器12抗损性1、电阻触屏：电阻屏的根本特性决定了它的顶部是柔软的，需要能够按下去。这使得屏幕非常容易