《電容式傳感器》課件

電容式傳感器高精度、高靈敏度的電容式傳感器技術(shù)課程目標(biāo)理解基本原理掌握電容式傳感器的工作原理和基礎(chǔ)理論識別關(guān)鍵特性了解不同類型電容式傳感器的特點(diǎn)和適用場景分析應(yīng)用領(lǐng)域電容式傳感器的定義基于電容變化原理利用被測量變化引起電容變化的傳感裝置信號轉(zhuǎn)換將非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號輸出測量目標(biāo)電容式傳感器的基本原理電容基本關(guān)系電容量與極板面積成正比極板距離影響電容量與極板間距離成反比介質(zhì)特性電容量與介電常數(shù)成正比測量變化檢測電容變化量轉(zhuǎn)換為電信號平行板電容器公式基本公式C=ε?ε?A/d參數(shù)說明ε?為真空介電常數(shù)，ε?為相對介電常數(shù)變量關(guān)系A(chǔ)為極板面積，d為極板間距離電容式傳感器的類型變距型通過改變電極間距離產(chǎn)生電容變化變面積型通過改變電極有效面積產(chǎn)生電容變化變介質(zhì)型通過改變介質(zhì)特性產(chǎn)生電容變化變距型電容式傳感器工作原理通過測量物體位移引起的電極間距變化電容量與極板間距離成反比關(guān)系特點(diǎn)高靈敏度非線性響應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用場景微位移測量壓力傳感加速度檢測變面積型電容式傳感器線性優(yōu)勢輸出與位移呈良好線性關(guān)系靈敏度特性靈敏度與位移無關(guān)，保持恒定基本結(jié)構(gòu)滑動或旋轉(zhuǎn)電極改變有效重疊面積變介質(zhì)型電容式傳感器1介質(zhì)參數(shù)通過改變電極間介質(zhì)的介電常數(shù)2應(yīng)用領(lǐng)域廣泛用于液位、濕度、濃度檢測3測量方式檢測介質(zhì)滲入引起的電容變化4信號輸出電容變化量與被測量呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系電容式傳感器的特點(diǎn)高靈敏度可檢測微小變化，分辨率高非接觸測量無需直接接觸被測物體快速響應(yīng)反應(yīng)速度快，適合動態(tài)測量體積小巧結(jié)構(gòu)簡單，便于集成電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)高精度測量分辨率可達(dá)納米級線性度好重復(fù)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)特性無機(jī)械磨損使用壽命長抗干擾能力強(qiáng)適應(yīng)性廣溫度范圍寬可用于惡劣環(huán)境多參數(shù)測量電容式傳感器的缺點(diǎn)易受電磁干擾對外部電磁場敏感，需要良好屏蔽需復(fù)雜測量電路電容檢測電路設(shè)計難度高雜散電容影響寄生電容會降低信號質(zhì)量環(huán)境因素敏感濕度、溫度變化會影響測量準(zhǔn)確性電容式傳感器的結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理輸入物理量位移、壓力、濕度等物理參數(shù)變化電容參數(shù)變化引起極板間距、面積或介質(zhì)變化電容檢測通過專用電路檢測電容值變化信號輸出轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號供后續(xù)處理電容式傳感器的靈敏度電容變化率變距型變面積型電容式傳感器的線性度變距型非線性關(guān)系：C∝1/d在小范圍位移時可近似為線性需要補(bǔ)償電路改善線性度變面積型良好線性關(guān)系：C∝A輸出與位移呈線性比例適合需要高線性度的場合變介質(zhì)型線性度取決于介質(zhì)特性需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行校準(zhǔn)可通過電極設(shè)計優(yōu)化線性度電容式傳感器的測量電路電橋電路基于平衡原理測量電容變化振蕩電路頻率隨電容變化而變化充放電電路測量電容充放電時間電容數(shù)字轉(zhuǎn)換直接將電容值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號電橋測量電路電橋平衡原理利用已知電容與未知電容對比交流激勵通常使用高頻交流信號激勵電橋失衡信號檢測電容變化導(dǎo)致電橋不平衡信號放大處理微弱失衡信號需放大后處理振蕩電路頻率調(diào)制原理電容值決定振蕩頻率：f∝1/C2振蕩器類型RC振蕩、LC振蕩、多諧振蕩器等3優(yōu)勢特點(diǎn)電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)4解調(diào)方式通過頻率計或鑒頻電路獲取位移信息電荷-放電電路高精度測量避免振蕩電路頻率不穩(wěn)定問題工作原理測量恒流源對電容充電所需時間3實(shí)現(xiàn)方式通過定時器或計數(shù)器測量充放電時間電容式傳感器的信號處理信號放大微弱信號需低噪聲前置放大濾波處理去除干擾噪聲，提高信噪比模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號便于后續(xù)處理4溫度補(bǔ)償消除溫度引起的漂移影響電容式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)自動化位移測量、壓力監(jiān)測、液位控制汽車電子ADAS系統(tǒng)、觸控控制面板、傳感網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療設(shè)備血壓監(jiān)測、呼吸檢測、微量分析消費(fèi)電子觸摸屏幕、指紋識別、接近感應(yīng)環(huán)境監(jiān)測濕度檢測、水質(zhì)監(jiān)測、氣體分析5電容式位移傳感器測量范圍微位移：0.1μm-10mm高精度：可達(dá)10nm分辨率響應(yīng)快速：幾乎無滯后應(yīng)用場景精密機(jī)床半導(dǎo)體制造納米定位振動分析關(guān)鍵參數(shù)靈敏度：V/μm帶寬：kHz溫度穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性電容式壓力傳感器0.1%滿量程精度高精度壓力測量100kPa典型量程可定制不同壓力范圍1kHz響應(yīng)頻率快速動態(tài)響應(yīng)-40℃工作溫度下限寬溫度范圍應(yīng)用電容式加速度傳感器工作原理加速度引起質(zhì)量塊位移位移導(dǎo)致梳齒電極間電容變化電容變化轉(zhuǎn)換為加速度信號關(guān)鍵特點(diǎn)低功耗高靈敏度抗沖擊性好溫度穩(wěn)定性高應(yīng)用領(lǐng)域汽車安全系統(tǒng)智能手機(jī)方向感應(yīng)工業(yè)振動監(jiān)測運(yùn)動分析設(shè)備電容式液位傳感器1插入式探頭直接插入液體中測量2非接觸式隔著容器壁檢測液位變化3連續(xù)式可測量整個量程內(nèi)連續(xù)液位4點(diǎn)式在特定位置檢測液體是否到達(dá)電容式濕度傳感器敏感材料聚合物介電常數(shù)隨濕度變化電極結(jié)構(gòu)通常采用交叉指狀或平行板電極測量范圍相對濕度0-100%，精度±2%RH應(yīng)用場景氣象站、空調(diào)、恒濕室、農(nóng)業(yè)電容式接近傳感器檢測距離通常為0-30mm，取決于目標(biāo)物體材料適應(yīng)性可檢測金屬和非金屬材料響應(yīng)時間典型值為1-50ms應(yīng)用場景物體檢測、位置控制、液位檢測電容式觸摸傳感器觸控屏幕智能手機(jī)、平板電腦、觸控顯示器觸控按鍵電梯按鈕、控制面板、家電操作界面滑動控制音量調(diào)節(jié)、亮度控制、滾動條手勢識別多點(diǎn)觸控、手勢操作、3D空間交互電容式流量傳感器測量原理流體介電常數(shù)或速度變化引起電容變化結(jié)構(gòu)類型管道式、插入式、熱式電容流量計優(yōu)勢特點(diǎn)無活動部件、壓力損失小、長期穩(wěn)定性好應(yīng)用領(lǐng)域化工流程、燃油測量、水處理系統(tǒng)電容式角度傳感器工作原理旋轉(zhuǎn)過程中電極重疊面積變化電容值與旋轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系結(jié)構(gòu)形式單圈型多圈型絕對式增量式性能參數(shù)角度分辨率：0.01°最大角度：360°響應(yīng)時間：<1ms電容式厚度傳感器高精度測量精度可達(dá)微米級，適合精密測量非接觸式避免損傷敏感材料表面材料適應(yīng)性可測量非導(dǎo)電材料：塑料、紙張、薄膜應(yīng)用領(lǐng)域薄膜制造、紙張生產(chǎn)、涂層厚度測量電容式傳感器在工業(yè)自動化中的應(yīng)用電容式傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用呼吸監(jiān)測胸腔體積變化檢測呼吸頻率分析睡眠呼吸暫停監(jiān)測體液分析血糖濃度測量體液成分分析微量樣本檢測微泵控制藥物精確定量輸送微流體控制植入式藥物釋放電容式傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用安全系統(tǒng)安全帶檢測、座椅占用感應(yīng)、碰撞預(yù)警人機(jī)界面觸摸控制面板、手勢識別、虛擬按鍵環(huán)境感知雨量感應(yīng)、濕度檢測、結(jié)冰預(yù)警液位監(jiān)測燃油液位、制動液、冷卻液檢測位置控制踏板位置、轉(zhuǎn)向角度、閥門控制電容式傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用智能手機(jī)觸摸屏、指紋識別、接近感應(yīng)穿戴設(shè)備觸控耳機(jī)、智能手表、健身追蹤器家用電器觸控面板、液位監(jiān)測、智能控制電容式傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用濕度監(jiān)測天氣站、農(nóng)業(yè)灌溉、室內(nèi)氣候控制水質(zhì)分析電導(dǎo)率測量、污染物檢測、水位監(jiān)控土壤監(jiān)測土壤濕度、肥力分析、灌溉控制氣體檢測濕度影響下氣體濃度分析電容式傳感器的設(shè)計考慮因素1性能指標(biāo)靈敏度、線性度、分辨率、精度2環(huán)境適應(yīng)性溫度范圍、濕度影響、電磁兼容性電路設(shè)計信號調(diào)理、抗干擾、功耗優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)電極設(shè)計、屏蔽技術(shù)、封裝方式電容式傳感器的電極設(shè)計平行板電極簡單結(jié)構(gòu)，適合位移測量梳狀電極增大有效面積，提高靈敏度圓柱形電極適合液位、角度測量電容式傳感器的屏蔽技術(shù)保護(hù)屏蔽金屬外殼隔離外部電磁干擾保護(hù)環(huán)設(shè)計減少雜散電容與邊緣效應(yīng)電纜屏蔽同軸電纜減少信號傳輸干擾4PCB設(shè)計多層板設(shè)計，合理布線與接地電容式傳感器的溫度補(bǔ)償溫度影響材料膨脹、介電常數(shù)變化硬件補(bǔ)償參考電容、雙差分結(jié)構(gòu)軟件算法溫度曲線擬合、查表校正材料選擇低溫度系數(shù)材料、匹配膨脹系數(shù)電容式傳感器的抗干擾措施頻率調(diào)制采用高頻激勵信號減少低頻干擾同步檢波鎖相放大技術(shù)提高信噪比數(shù)字濾波移動平均、卡爾曼濾波去除噪聲差分測量雙電容結(jié)構(gòu)抵消共模干擾電容式傳感器的校準(zhǔn)方法實(shí)際位移(mm)原始輸出(V)校準(zhǔn)后(V)電容式傳感器的精度提升技術(shù)優(yōu)化電極設(shè)計精確控制電極幾何形狀與間距高分辨率電路24位ΔΣ轉(zhuǎn)換器提高分辨率先進(jìn)算法非線性校正、數(shù)字濾波、自適應(yīng)處理材料工藝高穩(wěn)定性材料與精密加工工藝電容式傳感器的制造工藝1基板制備選擇適當(dāng)基材，清洗處理2電極制作光刻、蒸鍍、電鍍等工藝3介質(zhì)層沉積氧化、濺射、旋涂等工藝4封裝測試焊接引線，環(huán)氧封裝，功能測試MEMS電容式傳感器工藝特點(diǎn)微機(jī)電系統(tǒng)制造工藝微米級精密結(jié)構(gòu)批量化生產(chǎn)，成本低結(jié)構(gòu)類型懸臂梁結(jié)構(gòu)梳齒結(jié)構(gòu)膜片結(jié)構(gòu)橋式結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢超小型化低功耗高可靠性多功能集成電容式傳感器的發(fā)展趨勢微型化更小型、更輕便的傳感器設(shè)計集成化傳感、處理、通信一體化智能化自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，云端分析高靈敏度電容式傳感器1fF檢測限飛法拉級電容變化檢測0.1nm位移分辨率亞納米級位移測量1kHz帶寬快速響應(yīng)動態(tài)變化0.01%線性度優(yōu)異的全量程線性表現(xiàn)多功能電容式傳感器觸摸感應(yīng)檢測手指接觸與壓力接近檢測無接觸物體感知2濕度監(jiān)測環(huán)境濕度變化檢測運(yùn)動追蹤手勢識別與動作分析智能電容式傳感器自診斷能力故障自檢測性能自評估異常自報警自校準(zhǔn)技術(shù)零點(diǎn)自動調(diào)整增益自動補(bǔ)償溫度自動補(bǔ)償智能處理邊緣計算能力數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)器學(xué)習(xí)算法無線電容式傳感器能量收集利用環(huán)境能量供電，無需電池低功耗通信BLE、ZigBee、LoRa等通信協(xié)議云端集成數(shù)據(jù)無線傳輸至云平臺進(jìn)行分析電容式傳感器與其他傳感器的比較傳感器類型分辨率穩(wěn)定性功耗成本電容式高良好低中等電感式中等優(yōu)秀中等高光電式高一般高高壓電式中等一般極低低電容式傳感器與電感式傳感器的比較電容式傳感器可檢測各種材料更高分辨率功耗更低易受濕度影響需要更復(fù)雜電路電感式傳感器僅檢測金屬材料抗干擾能力強(qiáng)耐高溫性好檢測距離更遠(yuǎn)體積較大應(yīng)用選擇金屬檢測：電感式非金屬檢測：電容式高精度場合：電容式惡劣環(huán)境：電感式電容式傳感器與光電式傳感器的比較電容式優(yōu)勢不受光線影響，可檢測透明物體光電式優(yōu)勢檢測距離更遠(yuǎn)，方向性更好環(huán)境適應(yīng)性電容式受濕度影響，光電式受塵埃影響應(yīng)用場景近距離精確檢測用電容式，遠(yuǎn)距離快速檢測用光電式電容式傳感器與壓電式傳感器的比較靜態(tài)測量能力電容式可測靜態(tài)量，壓電式僅適合動態(tài)測量頻率響應(yīng)壓電式高頻響應(yīng)優(yōu)于電容式能源需求壓電式可自發(fā)電，電容式需外部電源尺寸與集成電容式更易微型化與MEMS集成電容式傳感器的選型指南最佳匹配選擇滿足性能要求的最簡單方案性能要求精度、量程、分辨率、響應(yīng)時間3環(huán)境條件溫度、濕度、振動、介質(zhì)特性4實(shí)用因素安裝空間、接口類型、電源要求、成本電容式傳感器的安裝注意事項(xiàng)安裝位置避開強(qiáng)電磁干擾源與高溫區(qū)域線纜布置信號線與電源