3电容式传感器学习课程

1、电容式传感器1定义2分类及工作原理3汽车上的应用4对比电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点5缺点和不足6对于缺点的解决办法7应用前景第1页/共60页第一页，编辑于星期五：四点 三十三分。1 电容式传感器的定义把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器第2页/共60页第二页，编辑于星期五：四点 三十三分。2分类及工作原理 若忽略边缘效应，平板电容器的电容为 式中o是真空介电常数,r是材料的介电常数，为极间介质的介电常数，A为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、A、 三个参数中任一个的变

2、化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。0 rAACdd 第3页/共60页第三页，编辑于星期五：四点 三十三分。 a）极距d变化型 P第4页/共60页第四页，编辑于星期五：四点 三十三分。 a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1定极板 2动极板 传感器的输出特性 C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。电容式传感器起 始电容量一般设置在十几皮法至几十皮法，极板间隙设在1001000m的范围比较妥当，动极板移动位移应该小于两极板间距1/101/4，电容可增加23倍第5页/共60页第五页，编辑于星期五：四点 三十三分。P第6页

3、/共60页第六页，编辑于星期五：四点 三十三分。hmaxd0CACLCHC0PHPL第7页/共60页第七页，编辑于星期五：四点 三十三分。 00000CCCCCCCCCCCCCCCAAHAALLALA;第8页/共60页第八页，编辑于星期五：四点 三十三分。 第9页/共60页第九页，编辑于星期五：四点 三十三分。 电容式称重传感器F第10页/共60页第十页，编辑于星期五：四点 三十三分。第11页/共60页第十一页，编辑于星期五：四点 三十三分。b)面积变化型 图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动

4、，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而电容量也随之减小。第12页/共60页第十二页，编辑于星期五：四点 三十三分。第13页/共60页第十三页，编辑于星期五：四点 三十三分。c)介质变化型 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。变介电常数电容传感器的结构较多 第14页/共60页第十四页，编辑于星期五：四点 三十三分。第15页/共60页第十五页，编辑于星期五：四点 三十三分。第16页/共60页第十六页，编辑于星期五：四点 三十三分。

5、第17页/共60页第十七页，编辑于星期五：四点 三十三分。第18页/共60页第十八页，编辑于星期五：四点 三十三分。dDlnhkC）（01第19页/共60页第十九页，编辑于星期五：四点 三十三分。变介电常数电容传感器的结构较多，应用也比较广泛，其中根据一些非导电固体的湿度变化，介质自身介电常数变化的电容传感器，可以用来测量粮食、纺织品、木材、煤炭等物质的湿度可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度等第20页/共60页第二十页，编辑于星期五：四点 三十三分。 CBRR0C1C2C1L2L第21页/共60页第二十一页，编辑于星期五：四点 三十三分。第22页/共60页第二十二页，编辑于星期五：四点 三十三

6、分。第23页/共60页第二十三页，编辑于星期五：四点 三十三分。第24页/共60页第二十四页，编辑于星期五：四点 三十三分。补充：第25页/共60页第二十五页，编辑于星期五：四点 三十三分。小结 基本的工作原理 式中为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。0 rAACdd 第26页/共60页第二十六页，编辑于星期五：四点 三十三分。3汽车上的应用 汽车加速度传感器 湿度传感器 触摸开关 为甲醇汽车设计的电容式液位传感器 遥控开关 胎压检测 汽车指纹防盗第27页/共60页第二十七页，编辑于星期五：

7、四点 三十三分。汽车加速度传感器第28页/共60页第二十八页，编辑于星期五：四点 三十三分。汽车空调湿度传感器 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 电阻式的湿度传感器： 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 缺点：湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。第29页/共60页第二十九页，编辑于星期五：四点 三十三分。电容式的湿度传感器：湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的

8、高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。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。第30页/共60页第三十页，编辑于星期五：四点 三十三分。 上图为高分子湿度传感器(电容式湿度传感器)的构造 如图所示即为电容变化型的构造，在高分子膜上各蒸镀一电极膜片，上方的电极为多孔性以吸收水份，高分子膜吸收水份之后，其介电系数将改变，致使感湿组件之电容量改变。如图 所示为电阻变化型的构造，它是在氧化铝（Al2O3）基板上镀上一对梳形状之电极，再于其上添加感湿高分子膜聚乙烯醇（PVA），然后以聚苯乙烯硫酸铵（PSS）涂抹之后烧结而成。第31页

9、/共60页第三十一页，编辑于星期五：四点 三十三分。 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，其精度一般比湿敏电阻要低一些。 国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。第32页/共60页第三十二页，编辑于星期五：四点 三

10、十三分。市面上的一些电容式湿度传感器 第33页/共60页第三十三页，编辑于星期五：四点 三十三分。触摸开关 与早期的车型相比,如今汽车的开关和按钮要多得多。不仅数目众多,而且还必须能够很轻易地安装到外形日益多样化的操纵面之中。另外,它们还需具备本钱效益性,以取代密封型开关。一种逐渐走红的方法是转变为采用电容式触摸开关（CapSense）。由于未采用机械式部件,而且能够与成形操纵面相吻合,因此CapSense开关提供了汽车行业所需要的可靠性和价位。 如图1所示,电容式开关基本上就是一个由两根相邻走线形成的电容器;物理定律决定了在它们之间存在电容。假如把一个导体（比如：手指）放置在靠近这些极板的地

11、方,则一个并联电容将与该传感器相耦合。当把手指放置于电容式传感器之上时,电容将增加。拿开手指后,电容将减小。在增加了用于丈量电容变化的电路之后,就可以确定手指的存在与否了。第34页/共60页第三十四页，编辑于星期五：四点 三十三分。 推广应用：只要一根走线、间隔、另一根走线,这就是组成一个电容式传感器的全部所需。直接在这些走线上覆盖一层尽缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。可以借助用于后窗玻璃除雾器的玻璃印刷电路技术来把它们做在车窗上。也可以采用丝网印刷工艺将其做在其它材料的表面,并使之与弯曲的表面相吻合,这样它们便可适合于汽车中几乎所有的应用。第35页/共60页第三十五页，编辑于星期五：

12、四点 三十三分。为甲醇设计的电容式液位传感器 现在，为了提高燃油经济性，不少汽车改装成了天然气或者甲醇作为燃料，原车油位传感器使用一只滑动电阻器通过浮子的带动来改变电阻的大小，最终在仪表盘上显示出油位的高低。 但当使用在甲醇中时，触点会被逐步腐蚀，最终造成油位传感器失效，给行车带来不便和不安全因素。第36页/共60页第三十六页，编辑于星期五：四点 三十三分。 一般的解决方法： 目前有人设计一款可以减小流过滑动电阻电流的部件试图延缓传感器的腐蚀，但由于不同车型传感器使用不同的材质，这一方法并没有较好的稳定性； 还有一种目前常用的解决办法是通过一只带磁浮球透过密封的钢管来开合干簧管，但国产干簧管的

13、品质稳定性较差，产品可靠性并不高，而且由于部分产品并不是使用可以耐甲醇的浮球，浮球在被甲醇渗透后，浮力丧失，造成传感器稳定性下降。第37页/共60页第三十七页，编辑于星期五：四点 三十三分。电容式的液位传感器 如果使用为甲醇设计的电容式液位传感器，电容式液位传感器无任何可动部件，由内、外两层彼此绝缘的不锈钢管组成，当进入两层管中的液位发生变化时，由两层管形成的电容的容量也相应发生变化，信号调理器检测到这一变化，并与存储的校准值进行比较，经过电压电流转换部分转换后输出一个对地电阻变的信号。 这样就很好的解决的了甲醇腐蚀液位传感器的问题第38页/共60页第三十八页，编辑于星期五：四点 三十三分。

14、第39页/共60页第三十九页，编辑于星期五：四点 三十三分。遥控开关遥控开关非常容易制造,因而使得诸如无钥匙点火或对电动窗的箝位保护之类的应用成为可能。无钥匙汽车一个重要的必要条件是尽可能使输入电流最低标准情况是低于100A。多年以来制造商已经将-转换器进行优化,因此已有一些适合的体系结构。第40页/共60页第四十页，编辑于星期五：四点 三十三分。胎压检测 在车库或车辆安全检测站均可配置采用电容触控压力感应的设备。当一辆车驶过相应的感应设备时，系统通过轮胎与设备接触时的压力分布计算出胎压是否正常。当胎压过高时，感应设备中部的传感器将承受更大的压力，而当胎压过低时，两端的传感器则承受更大压力。在

15、车辆的四轮定位中也能看到相关的技术应用。第41页/共60页第四十一页，编辑于星期五：四点 三十三分。汽车指纹防盗 汽车现在的一种防盗手段就是指纹防盗，同时这种防盗手段被广泛应用到了生活的实例中，比如手机指纹识别，笔记本指纹识别，保险柜等等第42页/共60页第四十二页，编辑于星期五：四点 三十三分。第43页/共60页第四十三页，编辑于星期五：四点 三十三分。第44页/共60页第四十四页，编辑于星期五：四点 三十三分。第45页/共60页第四十五页，编辑于星期五：四点 三十三分。第46页/共60页第四十六页，编辑于星期五：四点 三十三分。第47页/共60页第四十七页，编辑于星期五：四点 三十三分。第

16、48页/共60页第四十八页，编辑于星期五：四点 三十三分。第49页/共60页第四十九页，编辑于星期五：四点 三十三分。4 电容式传感器与电阻式、电感式等传感器优点 (1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板 间静电引力极小(约几个10-5 N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的 测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏,分辨力非常髙，能 感受0.001m甚至更小的位移。 (2)温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料， 又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。第50页/共6

17、0页第五十页，编辑于星期五：四点 三十三分。 (3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。电容式传感 器结构简单,易于制造,可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强 磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。 (4)动态响应好。由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很 高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。第51页/共60页第五十一页，编辑于星期五：四点 三十三分。 (5)可以实现非接触测量，具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠 轴承的径向间隙

18、等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应，可以减小工作表面粗糙 等对测量的影响。 （6）价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等第52页/共60页第五十二页，编辑于星期五：四点 三十三分。5电容式传感器存在的不足之处 缺点1：输出阻抗高，负载能力差 电容式称重传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制不易做得很大，一般为几十到几百微法，甚至只有几个微法。因此，电容式称重传感器的输出阻抗高，因而负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。必须采取妥善的屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘

19、部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能，为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。若采用高频供电，可降低电容式称重传感器的输出抗阻，但高频放大、传感器远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。第53页/共60页第五十三页，编辑于星期五：四点 三十三分。缺点2：输出特性非线性 电容式称重传感器的输出特性是非线性的，虽采用差分型来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将于传感器电容器直接叠加，使输出特性非线性。第54页/共60页第五十四页，编辑于星期五：四点 三十三分。缺点3：寄生电容影响大。 电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容(lm2m导线可达800 pF)、测 量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降 低了传感器的灵敏度; 另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳 定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对 电缆的选择、安装、接法都要有要求。第55页/共60页第五十五页，编辑于星期五：四点 三十三分。8 解决办法 还可以从材料本身的选择上改进下，采用屏蔽性好