电容式传感器原理与应用

电容传感器电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，且逐步应用于压力、压差、液面等方面的测量。本章着重介绍电容式传感器的结构原理及结构形式，讨论电容式传感器的测量电路、影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施。要求初步掌握电容式传感器的原理及应用一、电容传感器的工作原理及输出特性工作原理：由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为由平板电容公式：dSdSC0r可知：当d，S和r中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C。在交流工作时，改变C就相当于改变了容抗XC，从而使输出电压或电流发生变化。d和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等的变化；r的变化，则可以反映液面的高度、材料的温度等的变化。二、电容式传感器的结构形式结构类型：改变极板距离d的变间隙式，改变极板面积S的变面积式，改变介电常数r的变介电常数式。三、电容式传感器的特性1．变间隙式电容增大S和减小d均可提高传感器的灵敏度。2.变面积式电容传感器太大，极板的另一边长a不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。3．变介电常数式电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化如图：BACCC4．差动电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式。5．电容传感器的性能改善（1）静电击穿问题应对办法：为防止击穿，通常在两极板间再附加一层云母或塑料薄片（2）边缘效应应对办法：增设防护电极，如图3-8（3）寄生电容。产生原因；电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。应对办法：对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地（驱动电缆技术）驱动电缆技术：这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。4）温度误差应对办法：选择合适的电极材料或在测量电路中加以补偿、电容式传感器的应用1831年，法拉第发现了电磁感应。他发现，导体在穿过磁场时产生与移动速度直接成正比的电压：导体移动速度越快，电压就越高。现在，感应式近接传感器使用法拉第的电磁感应定律，无需实际接触传导材料就能检测到它们的距离。然而，这些传感器的最大不足之处是它们只能检测金属导体，并且不同类型的金属对检测范围也会带来一定影响。另一方面，近接电容式传感器遵守同一原理，但是能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。随着人机界面设计更多地采用触摸面板来可靠地响应命令，近接电容式传感器变得越来越普及。现在在大量不同的控制面板应用中，飞思卡尔的先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器能够取代开关和按钮。MPR083器件支持8方向旋转界面，而MPR084器件则能够控制多达8个触近接电容式传感是一项支持触摸检测的技术，它通过测量电容和展示电容变化来反映周围材料的变化。某些传感器通过生成电场并测量该电场所遭受的衰减，进而测出变化。与感应式传感器不同的是，近接电容式传感器能够检测具有传导性的任何事物或不同于传感器电极环境介电性能的任何事物。它们是出色的触摸板支持工具，由于我们人体的主要成分是水，具有很高的介电常数;并且我们体内包含离子物质，这使得人体成为很好的电导体。在近接电容式传感器中，飞思卡尔使用了多种技术。MC33794、MC33941和MC34940产品系列在传感器集成电路(IC)中包含振荡器电路，以生成高纯度、低频率5V正弦波，并由39000欧姆负载电阻器进行调节。这个AC信号被馈入复用器里，复用器然后将信号定向传输到选定的电极/参考引脚或内部测量节点上。IC自动把未选的节点连接到电路接地中，充当创建电场电流所需的返回路径。物体(例如我们高度绝缘和导电的身体上的一个手指)靠近金属电极时，就形成了一条电路径，从而导致电场电流发生变化。正常情况下，传感器测量产生电的电场中的AC阻抗，并且将将测量转化成DC输出电压。带有模数控制器(ADC)的外部微控制器然后会处理这个信息，以执行任意数量的功能，例如与触摸板控制面板相关的功能。但是，我们更先进的MPR083和MPR084近接电容式触摸传感器控制器则通过带定制寻址的内置集成电路(I2C)生成数字输出，因此不需要外部ADC。这种测量方法涉及RC振荡器技术，该技术采用GPIO检测准确电压变化。GPIO在0.5xVdd时完成从低到高的过渡，并通过测量延迟实现触摸检测。MPR08X系列的优势包括功耗更低、智能增加，并对特定微控制器优化了传感器算法。器件和软件都具有很高的可配置性，而且针对专用传感器版面设计还优化了控制器。时钟由寄存器控制，以便实现精确的电源模式控制，降低功耗。尽管触摸传感是近接电容传感器的一个增长最为迅速的市场，但它们也被广泛应用于消费、工业和汽车市场中的大量其他创新应用。例如：液位传感。一个使用近接电容传感测量液位的简单设计，需要在水柱中放置垂直电极条，进而在水柱壁上形成垂直的电容器。当水柱变空时，就形成一个电容器。但装满水后，电容器就一分为二，其中一个装满空气(电介质为1)，另一个装满水(电介质约为80)。简单的算法可以确定液体高度。但在诸如洗衣机等应用中，由于加入了清洁剂，并且出现了灰尘和其他杂质，该系统无法补偿不同的介电属性。