第4章 电容式传感器

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1、概概 述述 应用实例（应用实例（电容测深度、角度电容测深度、角度）ATM专用人体专用人体接近传感器接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器是一种用于检测人体接近的控制器件件, , 可准确探知附近人物的靠近，是目前作为可准确探知附近人物的靠近，是目前作为防盗防盗报警报警和和状状态检测态检测的最佳选择。的最佳选择。采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出，靠性，探测与控制合二为一，守候功耗低，开关信号输出，直接触发报警录像。探测人体接近距离远近可调，可调节半直接触发报警录像。探测人体接

2、近距离远近可调，可调节半径为径为( (约约)0-5)0-5米。米。对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从对触摸屏性能影响最为深远的技术改变要算是从电阻式电阻式转转移至移至电容式电容式触摸屏技术。触摸屏技术。20112011年前，近年前，近25%25%的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触的触摸屏手机将由电阻式转移至电容式触摸屏。摸屏。 方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触方法一：支持多点触摸的必然是电容屏手机。（由于多点触摸需要系统软件的支持，所以不支持多点触摸的也有可能还摸需要系统软件的支持，所以不支持多点触摸的也有可能还是电容屏。是电容屏。 方法二：有触摸笔的必定是是电阻

3、屏手机方法二：有触摸笔的必定是是电阻屏手机 方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。方法三：用指甲可以触控的是电阻屏手机。 电容屏触控工作方式：其触摸屏由一块四层复合玻璃屏电容屏触控工作方式：其触摸屏由一块四层复合玻璃屏构成，并在表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。构成，并在表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在触摸屏上时，由于人体电场和触摸屏表面当手指触摸在触摸屏上时，由于人体电场和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从

4、触摸屏四角上的这个电流分别从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。位置信息。 电阻屏触控工作方式：电阻触摸屏的屏体是一块多层复合薄膜，电阻屏触控工作方式：电阻触摸屏的屏体是一块多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层导电层由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层导电层(ITO膜膜)，上面再盖有一层经过硬化处理、光滑防刮的塑料层。上面再盖有一层经过硬化处理、光滑防刮的塑料

5、层。它的内表面也涂有一层它的内表面也涂有一层ITO，在两层导电层之间有许多细小，在两层导电层之间有许多细小(小小于千分之一英寸于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开。的透明隔离点把它们隔开。当手指接触屏幕时，两层当手指接触屏幕时，两层ITO发生接触，电阻发生变化，在发生接触，电阻发生变化，在X和和Y两个方向上产生信号，控制器根据检测到的电阻变化来计算接两个方向上产生信号，控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点的触点的XY坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作；坐标，再依照这个坐标来进行相应的操作；因此这种技术必须是要使用硬物施力到屏幕上，因此这种技术必须是要使用硬物施力到屏幕上， 才能获得触控效

6、果。才能获得触控效果。 电容式压力变送器电容式压力变送器电容式差压传感器电容式差压传感器电容式接近开关电容式接近开关4.1 4.1 电容传感器工作原理电容传感器工作原理v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。0rssC 电容传感器工作原理可以用平板电容说明：电容传感器工作原理可以用平板电容说明：4.1 4.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型01r0rssC 0r改变式中改变式中S S 极板极板面积，面积，称称变面积型变面积型电容传感器电容传感器 极板极板距离，距离，称称变极距型变极距型电容传感器电容传感器 介电常数，介电

7、常数，称称变介质型变介质型电容传感器电容传感器其中：其中： 真空介电常数真空介电常数 空气介质的相对介电常数近似为空气介质的相对介电常数近似为电容式传感器电容式传感器极距型极距型面积型面积型介质型介质型变极距型电容传感器变极距型电容传感器变面积型变面积型电容电容传感器传感器变介质型变介质型电容电容传感器传感器当分母当分母 1 C0。 传输线的电感传输线的电感 L0、电阻电阻 R（小）；（小）； 极板等效漏电阻极板等效漏电阻 Rg； 低频时低频时Xc 大，大，L、R 可忽略；高频时可忽略；高频时 Xc 小，小，L、R不可忽略，不可忽略， 工作频率工作频率10MHz以上要考虑电缆电感以上要考虑电缆

8、电感L的影响，这时相当有一的影响，这时相当有一 LC串联电路，有一个谐振频率串联电路，有一个谐振频率f0，当，当 f = f0时串联谐振阻抗最时串联谐振阻抗最小，系统无法工作。小，系统无法工作。 解决的方法解决的方法: :v屏蔽屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；电容转换元件，消除静电场和交变磁场；v前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输信号长距离传输；v 驱动电缆技术，驱动电缆技术，连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传电位相同，（跟

9、随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。F驱动电缆技术是一种等电位屏蔽驱动电缆技术是一种等电位屏蔽方法。这一方法可在方法。这一方法可在10m距离距离不不影响传感器性能，保证电容影响传感器性能，保证电容 1pF时也能正常工作。提高电容传感时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。器稳定性。 电容传感器中电容值变化都很微小，必须通过测量电路电容传感器

10、中电容值变化都很微小，必须通过测量电路将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量系统测量系统 电容传感器为电容传感器为 两个桥臂为差动形式两个桥臂为差动形式 12,C C120212ZZUUZZ111Zj c120212CCUUCC221Zj c代入：代入：4.3 4.3 测量电路测量电路 2) 2) 电桥电路电桥电路交流电桥的输出电压为交流电桥的输出电压为2) 2) 电桥电路电桥电路 002UUv 将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系10sC20sC极板在中间位置

11、时极板在中间位置时动片上移时两电容分别变化为动片上移时两电容分别变化为120,0CC U120212CCUUCC120212CCUUCC交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式3) 3) 二极管双二极管双T T型电路型电路 UE 高频对称方波电源，高频对称方波电源，D1、D2 二极管，特性相同；二极管，特性相同； C1、C2传感器差动电容；传感器差动电容；R1、R2 为固定电阻，为固定电阻，RL负载。负载。 一个周期内一个周期内RL 上的平值电压为上的平值电压为 12122(2)()()()LRLLEELR RRUR U f ccMU f ccRR一个周期内负载一个周期内负载 RL 上输出电压上输