【導(dǎo)讀】電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在檢測(cè)技術(shù)中不僅廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的測(cè)量，還可用于液位、壓力、成份含量等熱工方面的測(cè)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(lái)的儀器。其主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構(gòu)成，在壓力作用下，薄膜產(chǎn)生一定的形變，上 下級(jí)間距離發(fā)生變化，導(dǎo)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(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行一定的非線性補(bǔ)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(yùn)動(dòng)傳感器：包括加速度計(jì)、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(gè)平行電極構(gòu)成，在其兩個(gè)電極之間以空氣作為介質(zhì)，在不考慮邊緣效應(yīng)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(gè)參數(shù)影響，任意一參數(shù)的改變就會(huì)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(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，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(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。
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(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。
二、變化極距式電容傳感器
當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。
實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。
a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系
從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使d0小一些為好，但行程變小（動(dòng)靜極板接觸）。
三、變化介電常數(shù)式
因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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(shí)，電容器的電容量也就不同。
電容傳感器的特點(diǎn)
電容變換器需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。 在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小， 測(cè)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(cè)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(jìn)行檢測(cè)比較適宜， 這類傳感器具有以下 突出優(yōu)點(diǎn)：
(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(gè)10-5N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題，例如測(cè)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(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對(duì)穩(wěn)定性影響甚微。
(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，待測(cè)體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。
電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，可做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，也能對(duì)帶有磁性的工件進(jìn)行測(cè)量。
(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。
由于極板間的靜電引力很小，可動(dòng)部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。
(5)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)。
例如非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工作表面粗糙等對(duì)測(cè)量的影響.
電容式觸摸傳感器
消費(fèi)電子產(chǎn)品如多點(diǎn)觸摸屏、觸摸板、滑動(dòng)條、電視遙控、智能手機(jī)、多媒體播放器、平板電腦、信息亭和游戲機(jī)等更多地采用了電容式觸摸傳感器，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。
對(duì)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(lái)傳感手指的觸摸將變得越來(lái)越困難。伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程將必須從“科學(xué)”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(chǎng)相互作用的導(dǎo)體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導(dǎo)電解質(zhì)（一種有損電介質(zhì)）。正是手指的這種導(dǎo)電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。
簡(jiǎn)單的平行板電容器具有兩個(gè)導(dǎo)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(huì)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(chǎng)被稱為“邊緣場(chǎng)”。
把手指放在邊緣電場(chǎng)的附近將增加電容式傳感系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷存儲(chǔ)容量就是已知的手指電容CF。無(wú)手指觸摸時(shí)的傳感器電容用CP來(lái)表示。
關(guān)于電容式傳感器的一個(gè)常見的誤解是：為了使系統(tǒng)正常工作，手指必須接地。實(shí)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(wú)關(guān)。
從汽車領(lǐng)域、制造業(yè)、消費(fèi)電子到醫(yī)療保健等各個(gè)行業(yè)對(duì)電容式位置傳感器的需求量在持續(xù)增長(zhǎng)。與機(jī)械式開關(guān)相比，基于電容的觸摸傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是耐用性好，不易損壞，可以長(zhǎng)期使用?；旌闲盘?hào)技術(shù)的近期發(fā)展，不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費(fèi)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(cè)電路的靈敏度和可靠性（因?yàn)樵黾恿烁采w層的厚度和耐用性）。電容式觸摸傳感器成為機(jī)械式開關(guān)元件的一種實(shí)用型替代方案。
本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。
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