【導讀】電容式傳感器具有結構簡單,靈敏度高,溫度穩(wěn)定性好,適應性強,動態(tài)性能好等一系列優(yōu)點,目前在檢測技術中不僅廣泛應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的測量,還可用于液位、壓力、成份含量等熱工方面的測量中。
電容傳感器
電容傳感器,英文名稱為capacitive type transducer,是一種將其他量的變換以電容的變化體現(xiàn)出來的儀器。其主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構成,在壓力作用下,薄膜產(chǎn)生一定的形變,上 下級間距離發(fā)生變化,導致電容變化,但電容并不隨極間距離的變化而線性變化,其還需測量電路對輸出電容進行一定的非線性補償。
電容傳感器的分類
電容傳感器按傳感器類型分:
- 觸摸傳感器:包括顯示器件和輸入器件
- 運動傳感器:包括加速度計、陀螺儀和磁傳感器
- 位置傳感器:包括位移傳感器和接近傳感器
- 其他傳感器:包括壓力傳感器、位移傳感器、液位傳感器
電容傳感器按原理分:
電容式傳感器一般由兩個平行電極構成,在其兩個電極之間以空氣作為介質(zhì),在不考慮邊緣效應的前提下,其電容可表示為C=εS/d,其中,ε表示兩電極間 介質(zhì)(即空氣)的介電常數(shù),S表示兩電極之間相互覆蓋的面積,d表示兩電極間的距離,電容受這三個參數(shù)影響,任意一參數(shù)的改變就會使得電容得以改變。
因 此,電容傳感器分為介質(zhì)變化型(ε的變化因此C的變化)、面積變化型(S的變化因此C的變化)和極距變化型(d的變化因此C的變化)三種。
電容傳感器的原理
一、變化面積式電容傳感器
圖a是平板形直線位移式結構,其中極板1可以左右移動,稱為動極板。極板2固定不動,稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動,內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。
變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的,靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。
二、變化極距式電容傳感器
當動極板受被測物體作用引起位移時,改變了兩極板之間的距離d,從而使電容量發(fā)生變化。
實際使用時,總是使初始極距d0盡量小些,以提高靈敏度,但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。
a)結構示意圖 b)電容量與極板距離的關系
從圖中可以看到,為了提高靈敏度,應使d0小一些為好,但行程變?。▌屿o極板接觸)。
三、變化介電常數(shù)式
因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同,所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時,電容器的電容量也就不同。
電容傳感器的特點
電容變換器需要將所測的力學量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。 在有些條件下,這些力學量變化相當緩慢,而且變化范圍極小, 測量要有較高的分辨率,其他傳感器很難做到高分辨率要求, 而有的電容測微儀分辨率為0.01 μm, 最大量程為100±5 μm,因此一般采用電容式傳感器進行檢測比較適宜, 這類傳感器具有以下 突出優(yōu)點:
(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小,輸入能量也很低。
電容式傳感器因帶電極板間靜電引力極小(約幾個10-5N),因此所需輸入能量極小,所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題,例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨力非常髙,能感受0.001μm甚至更小的位移。
(2)溫度穩(wěn)定性好。
傳感器的電容值一般與電極材料無關,有利于選擇溫度系數(shù)低的材料, 又因本身發(fā)熱極小,對穩(wěn)定性影響甚微。
(3)結構簡單,適應性強,待測體是導體或半導體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。
電容式傳感器結構簡單,易于制造,可做得非常小巧,以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中,也能對帶有磁性的工件進行測量。
(4)動態(tài)響應好。
由于極板間的靜電引力很小,可動部分做得很小很薄,因此其固有頻率很高,動態(tài)響應時間短,能在幾兆赫的頻率下工作,特別適合動態(tài)測量,如測量振動、瞬時壓力等。
(5)可以實現(xiàn)非接觸測量,具有平均效應。
例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工作表面粗糙等對測量的影響.
電容式觸摸傳感器
消費電子產(chǎn)品如多點觸摸屏、觸摸板、滑動條、電視遙控、智能手機、多媒體播放器、平板電腦、信息亭和游戲機等更多地采用了電容式觸摸傳感器,成為各種消費電子產(chǎn)品中機械式開關的一種實用、增值型替代方案。
對于典型的電容式傳感器,規(guī)定其覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加,來傳感手指的觸摸將變得越來越困難。伴隨著覆蓋層厚度的增加,系統(tǒng)調(diào)整過程將必須從“科學”跨越到“精益求精”。
手指電容
所有電容式觸摸傳感系統(tǒng)的核心部分都是一組與電場相互作用的導體。在皮膚下面,人體組織中充滿了傳導電解質(zhì)(一種有損電介質(zhì))。正是手指的這種導電特性,使得電容式觸摸傳感成為可能。
簡單的平行板電容器具有兩個導體,其間隔著一層電介質(zhì)。該系統(tǒng)中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會泄露到電容器極板以外的空間,而由這些泄露能量所形成的電場被稱為“邊緣場”。
把手指放在邊緣電場的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示。
關于電容式傳感器的一個常見的誤解是:為了使系統(tǒng)正常工作,手指必須接地。實際上,手指被傳感的原因在于它帶有電荷,而這與其是否懸空或接地完全無關。
從汽車領域、制造業(yè)、消費電子到醫(yī)療保健等各個行業(yè)對電容式位置傳感器的需求量在持續(xù)增長。與機械式開關相比,基于電容的觸摸傳感器的主要優(yōu)點是耐用性好,不易損壞,可以長期使用?;旌闲盘柤夹g的近期發(fā)展,不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費類產(chǎn)品中降到了具有成本效益的水平,而且還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性(因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性)。電容式觸摸傳感器成為機械式開關元件的一種實用型替代方案。
本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術。
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