电容式传感器【精品多篇】

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电容式传感器 篇一

数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场主导测量器具。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度快、能耗低等优点得到最为广泛的应用。介绍了相对式容栅数显量具的传感器结构、测量原理和相应的电路结构，指出相对式容栅测量系统使用过程中存在的问题，比较了绝对式容栅和相对式容栅的优缺点。介绍了绝对式容栅传感器和电路的结构，最后指出了国外绝对式容栅技术现状，以及国内绝对式容栅技术存在的差距。

关键词：

数显量具；相对式容栅；绝对式容栅

一、引言

在计算机信息技术、自动化数字测量技术快速发展的今天，数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场使用中占主导的先进测量器具[1]。日本三丰、瑞士TESA和Sylvac、德国Mahr以及英国Bowers等世界著名量具制造厂商开发的数显量具技术，引领着该领域的发展趋势，数显量具产品在国外工业发达国家的制造业生产现场中已经得到推广普及；同样，在我国汽车制造业、压缩机、家电制造业等产品零部件的先进生产流水线上，数显量具也得到了很好应用。由于具有良好防水防尘性能、测量数据/图形显示和输出、测量数据统计处理分析和故障诊断等优异使用功能，同时又具有可靠的精度，适于在生产现场使用，使电子数显量具量仪成为提高机械制造精度和加工效率的重要工具和手段[2]。目前，在数字化数显位移传感技术和产品中，主要有光栅、容栅、磁栅、球栅和感应同步器等。几大类产品各有优势、互为补充，在竞争中都得到不同程度的发展。而在通用数显量具方面，容栅数显量具的产量大，应用广泛，各类数显卡尺、数显百分表、数显千分表、数显千分尺以及数显内、外径表等等，品种繁多，性能各异。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度块、能耗低等优点得到最为广泛的应用[3,4]。

二、容栅数显位移传感技术

常见的容栅数显量具大多为采用相对式容栅测量技术，其传感器结构图如图1所示。相对式容栅传感器由动栅板和定栅板两部分组成。动栅板的正面装有专用大规模集成电路、液晶显示器件及数据传送用输出接口，背面有发射极和接收极两部分。发射极共有48个小发射极，分成6组，每组各有8个小发射极。小发射极板宽度为L0，每8个小发射极所占的宽度称为一个节距S，S=8L0；其大小与传感器的分辨率有关。接收极为一长金属条，处于发射极的下方，长为5个节距，与中间5组发射极相对应，即前后各空出4个小发射极，这是为了消除边缘效应。定栅板是在环氧敷铜板上腐蚀出宽为S/2、间隔亦为S/2的与其他部分绝缘的小矩形方格，表面粘贴绝缘保护层，这些小方格称为反射极，其他连通部分屏蔽接地，对测量没有影响[5]。动栅板正对定栅板安装，每组发射极中有4个小发射极正对定栅板的屏蔽地，测量中不起作用。在测量时，将发射电压加至发射极上，通过电容耦合，在反射极上产生电荷Qf，从而有电压Vf；又通过电容耦合在接收极板上产生电荷Qr，从而有电压Vr，这就是传感器的输出信号，从而实现了机械位移量到电信号的转换。容栅传感器的输出可近似用如下表达式来定义：（1）式中，Vo(x,t)—表示容栅传感器的输出，它是一个与位移x、时间t有关的电压信号；K—信号传输比例系数；ω—测试系统时钟分频后的参数；λ—表示容栅传感器的节距[4]。由式（1）可看出，容栅传感器是一个调相型位移传感器，它将位移的变化转化为电容的周期性变化量。利用容栅传感器，将位移的变化量周期性变化的电信号，再辅以相关的处理电路，就构成了容栅数显测量系统[1]。容栅数显测量系统的结构框图如图2所示。图中，信号发生器产生测量系统需要的各种时序信号，容栅驱动电路对相应时序信号进行组合，产生周期性变化的脉冲信号，驱动容柵传感器，容柵传感器将位移变化转换成周期变化的电信号，通过鉴相解调电路，变成与位移相关的数字信号，经过数据处理电路，译码显示电路，在液晶显示器中显示出来，最终完成位移量的数字显示。

三、绝对式、相对式容栅测量技术比较

目前国内容栅数显量具大多为相对式数显量具，年销售量接近500万件，每年还在按照15%左右的速度增长，具有很大的市场潜力。但相对式容栅测量卡尺采用增量式测量原理，在使用过程中存在如下3个问题：（1）没有绝对意义上的原点，测量过程中，一旦关机，测量状态无法恢复；（2）当传感器相对移动速度过快时，因处理速度跟不上而发生计算错误，造成测量失败；（3）测量过程中需持续供电，电路消耗的功率较大，电池的寿命太短。而绝对式容栅数显量具是新一代电子卡尺产品，它采用“一点三测”的原理[6]，实现绝对位置的测量，可对所设置的原点位置进行持续跟踪，无论何时开机，液晶屏都会显示关机前副尺相对于原点的准确位置，以便随时进行测量，像游标卡尺一样存在一个绝对意义上的原点，在卡尺通电后即可进行测量而不必进行繁琐的清零，校零操作；而且它可以彻底解决相对式卡尺的超速问题，使得计量更加安全可靠；应用绝对式测量原理，采用间歇工作的模式，减小了测量系统的功耗，也为制造太阳能卡尺提供了可能。

四、绝对式容栅测量技术的实现

图4为绝对式容栅传感器的结构图。绝对式容栅传感器包括粗测、中测、细测三条码道，通过粗测、中测、细测三种测量模式，三种测量模式分别对位移进行粗大精度、中等精度、精确精度的测量，从而完成位移测量的模数转换，实现传感器绝对位置的测量。传感器信号通过后续电路组合，实现粗测、中测、细测的信号合成[7,8]，其中：

细测合成信号=Sa-Sb

中测合成信号=Sc-Sd

粗测合成信号=（Sa+Sb）-（Sc+Sd）

其中，Sa，Sb—传感器粗测差分输出信号；

Sc，Sd—传感器中测差分输出信号。

绝对式容栅测量硬件电路部分用于完成传感器输入信号的放大、解调、整形等功能；软件部分用于完成驱动和输入信号的控制功能，计算传感器检测出的位移量，送给译码显示电路进行显示。绝对式容栅测量系统的电路结构与相对式容栅测量系统的电路结构相似，而由于传感器部分相对要复杂，所以电路的控制部分要复杂些。

五、绝对式容栅测量技术现状

绝对式容栅测量技术在国外已经是成熟技术，日本三丰公司早在1987年申请的专利《电容式测位传感器》中，就已经提出了实现绝对测量的方法，之后在1989年申请了名为《位置绝对测量用电容型测试装置》的专利，在1993年申请了名为《用于绝对位置的测量的电容型测量器具》的专利，对其绝对容栅测量技术进行保护。在此基础上，日本三丰公司成功将该技术应用到数显卡尺、数显高度尺、数显量表中，并实现批量化生产。而在国内，目前仅北京航天峰光电子技术有限公司、桂林广陆数字测控股份有限公司、东莞特马电子有限公司等有限几家数显量具生产厂有相关绝对式容栅数显量具产品在国内机床展览会上亮相，并未形成大批量销售。从产品外观、性能指标、使用寿命、产品稳定性等方面来看，国内绝对式容栅数显产品与国外相比，还有较大差距，需要国内厂商加紧努力，提升技术水平，尽快达到国外相关产品水平。

六、结束语

绝对式测量是现代测量技术发展的趋势，绝对式容栅测量系统是在相对式容栅测量系统基础上研制出来的，其成本与相对式容栅测量系统差别不大，而性能上则有很大的提升，因此必将逐渐替代相对式容栅测量系统，实现容栅测量技术的升级换代。

参考文献：

[1]李强，杨光明，徐刚等。中国量具市场的现状与发展趋势[J].机电产品市场。2007,(8):22-23.

[2]李强，杨光明，徐刚等。从统计数据分析中国量具市场的现状和发展趋势[J].世界制造技术与装备市场。2008,(1):77-81.

[3]王峰，刘建新，李民等。容栅位移传感器在喷油泵试验台中的应用[J].仪表技术与传感器。2004,(5):46-48.

[4]王习文，齐欣，宋玉泉。容栅传感器及其发展前景[J].吉林大学学报(工学版),2003,(4):89-94.

[5]凌锐鸿，王佶。容栅传感器刻划误差的分析计算[J].工具技术。1995,29(7):41-46.

[6]郭永彩，赵毅高潮。一种绝对式容栅测量新技术[J].光电工程。2010,(2):69-73.

[7]株式会社三丰。电容式测位传感器[P].中国。ZL87102580,1990.1.31.

电容式传感器 篇二

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

1、加速度传感器原理概述

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。

差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作。，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。

2、变间隙电容的基本工作原理

如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：

由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是 、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即 变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。

由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离 是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的  范围内，以使  与 C的关系近似于线性。

它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。

由式（2－5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移 增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

3.1工作原理

如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图

电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。

3.2差容式力平衡传感器机械结构原理

由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。

当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量C，C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。

4、力平衡传感器实际应用

哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：

测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g

灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g

BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）

BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）

频响范围：DC-50Hz（±1dB）

绝对精度：±3％FS

交叉干扰：小于0.3%

线性度：优于1%

噪声：小于10μV

动态范围：大于120dB

温漂：小于0.01%g/g

电源：±12V-±15V @30.0mA

电容式传感器 篇三

关键词： 传感器；教学体系；教学方法

0 引言

“传感器原理与应用”课程是测控技术与仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、机械工程及其自动化、核工程与核技术等专业的专业基础课，也是很多其他工程类专业的选修课程[1]。这门课程是已学课程知识的综合及后续课程的基础，在课程体系中担负着承上启下的作用。理论性和实践性都很强，与通信技术、计算机技术并称为现代电子信息技术的三大支柱[2]。本文针对“传感器原理与应用”课程的特点，结合专业培养的目标，探讨该课程理论教学和实践教学的改革问题。

1 课程特点

传感器课程主要内容是介绍各种传感器的内部结构、测量电路、应用领域及敏感元件的工作原理、制作材料和工艺等。种类繁多，不仅涉及电学、磁学、力学、光学、声学、化学、生物学、数学、材料、机械原理、计算机技术等多门学科[3]，还涉及工业现场的一些实际情况及制作工艺学等，几乎涉及支撑现代文明的所有学科。另外，科学技术的发展对传感器的发展也不断提出新的要求和挑战，大批新型优质传感器不断涌现，要求教学内容能够与时俱进。

2 合理设置教学体系

面对传感器课程综合性强、实践性强、知识更新快的特点[4]，要具体应用某种传感器实现实际的测量，则需综合应用各学科的知识，而知识应用的多元化又使学生很不容易理出头绪，很难找到一条主线。现行的专业设置，人为隔离了学科间的联系，导致学生在知识结构、技能训练和素质培养等方面的片面性，无法提升学生传感器的设计、开发技能。为真正提高学生的综合应用各学科知识的能力，近年来，东北石油大学测控技术与仪器专业在课程体系设置方面进行了调整。开设了“传感器原理与应用”、“数据误差分析”、“单片机原理与应用”、“测控电子线路”等基础课程，注重基础知识的讲解；开设了“模拟电子课程设计”、“传感器课程设计”、“单片机课程设计”等，注重培养学生综合应用的能力。其中“传感器原理与应用”为64学时，其中理论教学56学时，实验8学时，“传感器课程设计”为两周时间。这样，从理论教学、实验教学以及课程设计三个环节完善了课程的设置。

3 优化教学内容，改革教学方法

3.1 提纲挈领，启发式教学 为了便于学生学习理论知识，我们对讲课的内容作了以下处理：把种类繁多的传感器按原理进行分类，如电阻式、电容式、电感式、光电式、压电式、磁电式等；在讲解每一类传感器的原理部分，先引入现实生活中常见的某个应用，调动学生学习的兴趣，之后分析工作原理，并辅以动画演示，增加学习的生动性，进一步分析测量电路及误差影响因素，最后结合实际总结该传感器的应用领域、应用范围等。利用这条主线来学习，大大减少了学生的负担。

3.2 创设问题情境，讨论式教学 由教师通过讲解、板书以及教学多媒体的辅助，把教学内容传递或者灌输给学生的“以教师为中心”的教学方法下，学生逐渐养成了不爱问、不想问“为什么”，甚至是不知道问“为什么”的麻木的学习习惯，形成过度依赖、拒绝思考的现状。针对这一问题，在讲解传感器工作原理、测量电路等理论知识时，采用边推导边设问的方式与给出结论由学生推导分析过程、教师补充不足相结合，增加学生讨论互动环节，使学生不再是被动的接受者，把教学内容转化为个体的学习任务，给学生自我思考时间，并进行实践探索，从而发现问题（使用哪种类型的传感器）、分析问题（传感器的性能、原理）、解决问题（传感器的应用），提高学生思维能力，在设疑解惑中获得传感器知识，构建以提出问题、分析问题、解决问题为主线的能力培养体系，调动学生学习的主动性。

3.3 承上启下，建立各章节间联系 传感器课程知识零碎，内容较多且分散，各章之间缺乏系统性和连续性[5]。针对各章节内容较分散的问题，在讲解某个传感器原理及测量电路时以提问的方式复习前几种传感器原理及测量电路类型，讲解应用时提问是否有用已经讲述过的传感器来替代现有传感器的可能，同时要对这几种传感器的应用优劣性做出对比。例如在讲解电感式传感器原理时通过推导给出电感传感器计算基本公式，此时复习电阻式及电容式的基本计算公式及其推导过程；讲解电感式测量电路时以提问的方式复习电阻式及电容式测量电路形式、特点、注意事项等；讲解应用时以加速度测量为例，可由学生讨论用电阻式及电容式传感器实现测量的原理并分析数学模型，并且要对利用这三种传感器实现加速度检测功能的材料成本、传感器性能、产品制造工艺和检测方法等做出对比。通过这种教学模式，将各章之间建立紧密的联系，这样可以拓宽学生的视野，增进学生对不同传感器之间联系的进一步理解。

3.4 重视实践环节，培养学生科学探究能力 在实验教学中，根据客观条件适当减少验证性实验，增加综合性设计性实验。对于验证性实验，教师利用多媒体技术讲授实验原理，使学生对所做实验有一个理性的认识；学生根据指导书内容独立完成实验。对于综合性设计性实验，每次实验内容在实验指导书中仅提出本次实验的目的、测量目标、测试具体要求、需要掌握的内容等，不限制方法和思路。让学生独立设计实验，并在安全范围内大胆让学生自我设计并进行实验，自行探索，学生成为独立完成实验设计和实验过程的主体，实验教师在必要时给予提示帮助。例如，在转速测量的实验中，教师不用规定学生具体使用哪一种传感器，学生可以自主独立选择传感器。电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等均可以实现转速的测量，学生可以选择其中一种甚至几种来实现测量，然后对测量结果进行比较分析，可以得出在各种情况下哪一种传感器的测量可靠性、精度更高。这样可以充分调动起学生学习的积极性，不但可以提高学生的思维空间，同时还会让学生有惊奇的发现，大大提高了教学效果。通过对这些情况的处理，可以培养学生解决问题的能力和创新思维的能力，在探讨解决较复杂问题的过程中，还可以培养学生的团结协作精神。

课程设计过程通过以下几个步骤完成：选择题目、收集资料、问题总结、答疑解惑、确定方案、具体设计、检查调试、成绩评定。课程设计既要体现个体的综合应用能力，又要体现团体的合作，所以在设置过程中，要求每人一个题目，每五个人一组，在完成自己题目设计的同时又要了解同组同学的设计思路、方法。在课程设计成绩评定中，采取小组答辩的形式进行，让学生对自己的设计思路、设计中遇到的问题、解决问题的方法、结果进行演讲式答辩，教师和其他学生可以提出相关问题（要求同组同学要对本组设计的提问进行补充，视各组团体成绩给最终成绩）。这样既锻炼了学生的表达能力，也有助于学生之间的团结互助，对不同课题组的同学之间的相互学习也起到了一定的促进作用。对于设计思路和效果比较好的小组，可以进一步深化设计体系，进而参加各级别的创新大赛。

4 结束语

在近几年的课程教学中，按人才培养的需求，对课程的理论与实践教学进行了改革与尝试，将知识传授、实践能力培养、综合素质教育融为一体，及时更新、补充教学内容并反映新的传感技术；改革教学手段，增强学生学习的主动性和能动性。学生对于“传感器原理及应用”这门课程的学习兴趣有了显著的提高，教学成果明显。课堂学习气氛较浓，考试成绩也较以往有显著提高，学生在对老师的评教中也给予了很好的肯定；学生创新意识、创新能力在不断提高。

参考文献：

[1]陈淑静，马天才。“传感器原理及应用”课程教学改革探讨[J].天中学刊，2011，26(5)：86-88.

[2]应蓓华，李林功，钟伟红。“传感器技术及应用”课程实践教学改革探讨[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2011，4：64-66.

[3]张向文．《传感器原理及应用》课程教学改革的探讨[J].科教资讯，2007，3(27)：150-151.

电容式传感器 篇四

直升机燃油测量系统作为直升机燃油系统的—部分，主要实现直升机燃油油量的测量、指示等功能。燃油测量系统的测量精度对直升机的性能有着重要的影响，对军用机而言，提高燃油测量精度，意味着可以提高直升机的有效载荷、航程及作战半径；而对民用运输机而言，则可大大改善其经济性。随着现代航空技术的发展，对燃油测量精度的要求越来越高。因此，如何实现燃油的精确测量是设计人员孜孜以求的目标。本文论述直升机燃油测量系统的一般技术途径：C/V变换电路信号采集技术、A/D转换技术、数字信号处理等技术。

2背景

长期以来，人们一直在探索提高燃油油量测量精度的途径。早在1952年，美国Raytheon公司就动用了一大批技术力量对此进行研究。在该公司所著《燃油测量技术研究》中就提出采用机械、振动、超声波、电磁、电、光、核辐射等各种原理来测量航空器的燃油测量。。随着航空事业和微电子技术的发展，电容式燃油油量测量技术成为目前应用最为广泛的直升机燃油测量技术。近年来，国外在取得上述成就的基础上，又着手研究利用光纤技术来进行燃油油量测量，如能投入实际应用，则将再使这方面的技术进入一个新的时代。

3测量技术

目前通用的燃油测量是利用装在直升机油箱中的变介电常数电容式传感器电容的变化来感受直升机油箱燃油液面的高度变化，再根据油箱的高度容积曲线计算出燃油油量。油量传感器为线性传感器。当油面的高度变化时，在激励信号的作用下将燃油高度的变化量转换为等量的电容量变化，再通过测量系统的各油量测量通道转化为直流电压信号，并经过数字化后输入到显示设备的处理装置，最终计算出燃油液面高度变化后的油量容积。电容式传感器：

3.1电容式传感器的分类。电容式传感器一般有变间隙型、变面积型和变介电常数型三种方式，其中变介电常数型是目前航空燃油测量使用最广泛的一种，简介如下：变介电常数传感器，变介电常数传感器是直-9采用的传感器，当电容极板间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，直-9在设计过程中采用垂直定位圆柱形传感器的电容技术，传感器为线性电容式，由同轴安装的特制双层薄壁铝合金管和外体组成，其电容增量随所在燃油箱内燃油液面高度变化而线性变化，连接器传输电缆采用高绝缘同轴电缆。适于在复杂环境条件下稳定、可靠地工作，其测量精度、抗污染性和可靠性均优于同类产品。[2]

3.2测量电桥。测量电桥由传感器电容CX、与固定电容C0组成的交流桥路组成，桥路电源为激励源产生的正弦波信号，所以传感器信号为正弦波信号，而通过固定电容的信号也为正弦波信号，但与传感器的正弦波信号相位相差1800。两个信号叠加势必会相互抵消，理论上CX=C0，R1=R2时输出电压为零，设定固定电容为传感器理论上的干电容值，即CX=C0，R1=R2。在实际应用中，当燃油为零时传感器的干电容与理论值稍有偏差，零位需要进行调整，通过调零电位器将输出的电压设定为0伏，通过调满电位器将满油电压设定为5伏，这样0V-5V区间就是传感器的液面变化区间。将传感器的电容量转换成与之成比例的交流电压信号，经信号整形滤波处理输出模拟电压信号。

4系统构建

电容式传感器 篇五

摘 要：传感器是一门综合性很强的学科。掌握运用传感器的相关知识，对于中职学校的学生来说，有着重要的意义。本文主要介绍了电容传感器项目教学的设计。通过传感器知识的学习，可以培养学生的创新精神和思维能力，并将其广泛地应用于现代化生产中，促进科技革新和生产力的发展。

关键词 ：教学设计 电容传感器 项目教学

中等职业教育国家规划教材配套教学用书《传感器及其应用》第四章第二节讲述了电容式传感器的原理及分类。传感器在测量与控制电路中不可或缺，在现代生产生活中也已被广泛应用。如何使学生更高效的学习，教学过程的优化设计起着极其关键的作用。要提高教学效率，教师必须在教学设计上多下工夫。

一、项目教学过程设计

1.引入项目

水是生命之源。我国水资源总量位居世界前列，可是人均水资源占有量却很少，再加之人们对水的不重视，水资源浪费、污染的情况日益严重。所以，教师要让学生运用所学的知识来保护水资源，减少人为浪费。这样从情感上激励学生，要努力完成这个有意义的项目。

2.明确项目

设计电容感应式水龙头。

3.实施项目

（1）通过实验了解电容性能，引出电容公式及分类。

实验：将两片方形金属片相互靠近，用万用表的电容挡，测量两者之间的电容量。随着两金属片的缓慢靠近，电容量从0pF逐渐变大，最大可以达到30pF。请一名学生，在两金属片之间缓慢地放入塑料薄膜，同时观察万用表。学生们发现电容量逐渐增大至40pF。请另一名学生，在保持两金属片相对距离不变的情况下，沿水平方向将其分开，此时万用表显示的电容值逐渐变小。通过实验，学生们感性地认识到，电容量与两极板间相对的有效面积、介电常数成正比，而与两极板间的相对距离成反比。

根据以上原理，学生们把电容传感器分为三类：变面积式、变极距式、变介电常数式。

（2）分组分类讨论查阅资料，选择变介电常数式电容传感器为设计基础。

①变面积式。变面积式传感器，两极板水平相对，其中一个为定极板，固定不动；另一个为动极板，可以左右直线运动，两极板间的相对位置为原始距离。学生讨论表达式K=-εb/δ，指出变面积式电容传感器，其灵敏度为常数，输出特性为线性，同时明确变面积式电容传感器的应用场合，多用于直线位移、角位移、尺寸等参数的测量。

②变极距式。变极距式电容传感器，被测物连接动极板上下运动，使其两极板之间的距离发生改变，从而电容量也随之改变。初始极距与灵敏度相互矛盾，因此变极距式电容传感器适合测量小位移。为了使灵敏度得到提高，一般采用差动结构。

③变介电常数式。由于不同介质的介电常数差异很大，因此在电容器两极板之间放入不同介质时，电容C是不相同的。根据这种原理制成的电容传感器称为变介电常数式电容传感器。

（3）分析实施。

①教师提出设计要求：当手或物体靠近水龙头时，水龙头会自动定量出水。

②学生通过资料整理讨论设计方案，提出独立电源供电，变介电常数式电容传感器采集信号，通过转换电路将控制信号传给自动水龙头开关电路，同时计时电路开始倒计时，到达设定时间自动切断水源，达到节水目的。

③各小组对提出方案集体讨论并改进，提出自己的想法，使学生的思路得到了开阔。

学生在拓展思考过程中，扩大电容传感器在生活中的应用范围，根据电容传感器的工作原理再提出新的设计项目，从而激发学习积极性和自主学习意识。

二、项目教学评价设计

组织各小组派代表在班级汇报，学生在项目教学过程中，进一步理解非电量到电量的转换概念，了解电容传感器的工作原理及在日常生活中的应用。通过查阅资料，了解当今国内传感器的现状。各组汇报完成后，进行小组互评，班级气氛很活跃。最后教师点评并给各小组打分，激励学生的竞争意识，使学生的学习热情更加高涨。

三、小结

该次课是依据学生的认知规律安排教学的，其引入项目是从珍惜水资源和一个有趣的实验开始的，通过不同的实验现象引导学生思考，增强学生对电容传感器了解的积极性，激发他们自主学习传感器的热情。项目教学主要分成三大块，学生变成学习的主体，很多学生介绍了日常生活中，藏在我们身边的传感器。提出自己的想法，设计了新的传感器应用项目。在项目教学过程中培养了学生的自主、合作、思考的能力，增强了学生的学习能力和科学素养。

参考文献：

[1]沈聿农。传感器及应用技术[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]王俊峰。孟令启。现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

电容式传感器 篇六

关键词：投射电容式触摸屏；电容式触摸屏；触摸屏

中图分类号：TN141文献标识码：A

Touch the Future: Projected-Capacitive Touch Screens Reach for New Markets

John Feland

（Synaptics, Inc.,Santa Clara,CA,U.S.A）

Abstract: Spurred by successful implementation in devices such as the Apple iPhone and the LG Prada phone, projective-capacitive touch screens seem poised for mass adoption in various applications.Here is an overview of the technology and how to decide which type of projective-capacitance touch screen to use in your product.

Keywords: projective-capacitance touch screen ；capacitive touch screen；touch screen

2007年3月LG普拉达手机(见图1(a))以及随后2007年6月的苹果iPhone、2007年9月的iPOD触摸屏、2007年10月的三星Yepp YP-P2等产品(见图2（b）)的发行向世界传递了一个信号，即透明投射电容式触摸屏已经做好被大量应用的准备。在2007年之前，透明投射电容式技术只是一项具有很小影响力的小生境技术。

据估计2006年投射电容式触摸屏在全世界的总销售额低于2,000万美元；但是随着此类触摸屏技术的发展，逐渐开辟出了通向各种平台的道路，消费类电子厂商通过多媒体市场采用这项技术，来改变终端用户的体验，使得2008年销售额增为原来的5倍。

在各公司探索这项日渐成熟的技术，并应用于他们产品的时候，一些问题也产生了，例如：哪种投射电容式传感器适合我的应用，什么是玻璃和塑料衬底之间的交替使用。以上这些问题，还有一些其它问题将在下文进行介绍。

图1 LG普拉达手机（a）和三星Yepp YP-P2媒体播放机（b）是采用投射电容式触摸屏的首批消费类电子产品中的两个

图2 自我电容触摸屏工作过程示意图

1电容触摸屏

主要有两种类型的触摸屏采用电容传感作为主要输入方法：表面式电容和投射式电容。表面电容触摸屏采用一层铟锡氧化物（ITO），至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这些电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司（3M Micro-Touch）作为该技术的最主要供应商之一，这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏上。

但是表面电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平台上的屏幕）是不切实际的。

传感器利用触摸屏电极发射出的静电场线称为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感技术的电容类型有两种：自我电容和交互电容。

自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种方法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板。该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从而被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。图2表示了上述原则是如何工作的。

交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉到，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器作为传导性传感器被广泛用作汽油调节。

数百万种自我电容方法在人们日常生活的位置传感中被采用。例如当今的笔记本电脑上触摸输入板到处存在。最典型的笔记本电脑触摸输入板采用X×Y的传感电极阵列形成一个传感格子。当手指靠近触摸输入板时，在手指和传感电极之间产生一个小量电荷。采用特定的运算法则处理来自行、列传感器的信号来确定被传感物体(此处指的就是手指)的位置。

在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法设计，以便在任何给定时间内都可以探测到触摸，该触摸不仅局限于一根手指，也可以是多根手指。

不透明投射电容式传感器可以用在很多设备上，如触摸输入板和投射电容式触摸屏，其操作的基本原理是一样的。其不同之处在于传感器电极的材料、传感器衬底、制造方法，以及方法堆栈中的很多问题。触摸输入板可以用不透明材料制造，如采用金属或者传感领域的碳基电极。投射电容式触摸屏必须是透明的，因此，经常用与基于电阻式触摸屏的透明导体相同的材料来制造，例如ITO。

但是，与电阻式触摸屏不同，投射电容式触摸屏不需要层与层之间的空气间隔，或者不需要令任何层变形，因此，传感器可以采用坚硬的玻璃或者塑料衬底。投射电容式和电阻式触摸屏构造的关键不同之处是有关ITO的要求，投射电容式触摸屏的ITO是作为后一层定型在前一层上，而不是像电阻式触摸屏一样采用连续的膜淀积。虽然增加了工艺复杂程度，但是考虑到采用投射电容式触摸屏的好处，还是非常值得的。

例如，Synaptics在媒体播放器的清除键传感器上采用新奇的金刚石模式。X轴方向的传感器形成一层，Y轴方向的传感器形成另外一层，然后加上接地层或者保护层来完成，如图3所示。

图3 Synaptics用于清除键传感器上的金刚石模式

在玻璃和塑料衬底的选择上并没有明显区别。都可以层积在塑料或者玻璃镜头（屏幕保护）上，这些取决于原始设备制造商的产品设计。玻璃相对厚点、重点、贵点，但是整体坚硬些，可以潜在地降低设备其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系数高，尽管两种材料都比同尺寸的电阻式触摸屏高。塑料传感器相对薄些，并且比较容易层压在产品镜头上（因为把柔性材料层压在硬性材料层上比层压两层硬性材料容易些）。既然制造方法类似，玻璃和塑料衬底都可以用来制造自我电容触摸屏和交互电容触摸屏。

大部分传感器供应商采用连续同一批溅射工艺在衬底上刻蚀ITO图形。

3M微触摸公司于2007年宣布了卷对卷制造投射电容传感器的可能性。过去，虽然刻蚀这种图形的技术已非常成熟，但是会引起触摸屏表面的反射系数有所不同，当光线划过表面时会造成图形可见。最近获得的反射系数更加匹配，而且传感器图形几乎不可见。

表面电容式触摸屏在小尺寸生产时具有实际的局限性，而投射电容式触摸屏在大尺寸时具有局限性。

传感器电极必须离得足够近，这样手指可以影响至少两个电极的电场线从而确定手指的位置。同样地，伴随着屏幕尺寸的增大传感器电极的数目也需要按照相应的几何比增大。随着投射电容式触摸屏尺寸的增大，需要发送回控制器的传感器电极的数目会迅速增加，同样迫使传感器的非活动边框扩大。有一些窍门可以制造大尺寸投射电容式触摸屏，但是这些设计到目前为止并没有在真实产品中得到验证。

2控制器是关键

如果没有控制器，传感器只是一片没有作用的塑料或者玻璃。与每一个物品上的（从应用处理机到MP3解码芯片）的电阻式触摸屏控制器的增殖性和综合性相比，投射电容式触摸屏仍然需要专门的芯片来驱动传感器，以及解码一根手指或多根手指在触摸屏上的位置。

Synaptics在市场上接受清理键模块的途径是采用自我电容技术，该技术是从已经使用的数百万笔记本触摸输入板借鉴来的。Synaptics控制器使用的传感设计是这样的，先测验X轴上的每一个传感器轨迹，随后测验Y轴上的每一个感器轨迹，找出每一个轴上的最大电容点。这种技术可以屏蔽同度噪音，如湿度、温度的变化或者外界噪声源（比如60Hz的线性噪声）。

苹果公司在iPhone和iPod触摸屏中采用的是交互电容技术。Apple/Broadcom控制器使用的传感设计是刺激Y轴上的每一条线，一次刺激一条。对于每一条Y轴线，控制器测量该条线和每一条X轴线处的交点电容。结果就是无论什么映像都是正在触摸700X-Y交点处的表面。但是，这种技术相对于自我电容技术对环境噪声非常敏感。到目前为止，以上的控制器供应商名单中并没有用于已的产品，所以并不知道他们采用什么技术。

3丰富的手势调色板

一般来说，要是想推动投射电容式触摸屏被广泛采用，首先要使丰富的手势调色板成为可能。原始设备制造商产品发展组的用户体验和用户界面设计者们非常渴望这种新能力。直觉手势的运用为减少当今用户设备的复杂度提供了巨大希望。

人们常常会问这样一个问题，手势处理会在那里发生呢？手势可以在四个地方进行处理和解码：在触摸屏控制器中，在独立CPU或DPS中，在主机CPU触摸屏驱动器中或者在主机CPU正在运行的应用设备中。在玻璃衬底和塑料衬底的对比问题中，并没有绝对的答案，每一种结构都各有优劣。在苹果iPhone中，触摸屏芯片是由两块独立的芯片组成：一个Broadcom模拟处理器，用来处理从传感器传过来的原始模拟信号，将他们转变成由多个X、Y点坐标值组成的数据流；另一芯片是NXP(飞利浦)ARM-7 CPU用来将数据流解码为相应的手势指示。在苹果iPod触摸屏中，上述两块芯片联合成一片芯片，又叫做改进型Broadcom芯片，包括了模拟和数字内核。苹果公司选择独立CPU处理手势而非主机CPU的一个原因是这样可以确保快速的对手势作出反应。iPhone一共包括五、六个独立的ARM内核，所以很显然整个产品架构是分布式计算。

在三星Yepp YP-P2媒体播放机中Synaptics采用了一种不同的方法。媒体播放机的功能比智能电话简单很多，因此媒体播放机一般只有一个CPU，这样限制了可能的手势处理选择的范围。三星Yepp YP-P2媒体播放机采用Synaptics ChiralMotion手势作为仔细寻找各种应用的主要方法。（ChiralMotion是一种智能化虚拟滚动手势，允许用户通过改变手指运动弧线的速度和半径来控制滚动的方向和速度。）触摸屏控制器从触摸屏输出一种由单个X和Y点坐标值组成的数据流。ChiralGesture识别发生在主机CPU正在运行的触摸屏驱动器上。驱动器向用户界面通报用户意图，这样用户界面应用可以满足用户在播放机的其余应用上穿梭触摸，这样不仅美观而且使用简单。

结 论

对于未来的掌上设备而言，投射电容式触摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更稳健，比电阻式更清晰，支持多手指手势应用，推动工业设计一体化，这样看来下一代触摸屏很可能会广泛应用。可利用选择自我电容、交互电容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多种组合为原始设备制造商在如何结合这项日渐成熟的技术方面提供了巨大的弹性。

我们已经看到很多掌上设备制造商关于投射电容式触摸屏的实验，不仅可以通过他们的设计来识别，还可以通过用户的体验来识别。我们期待市场上这类成功产品尽快上市。

电容式传感器 篇七

有了接近式触摸传感器，按字面意思理解就是没有按压操作了。因为它们是触摸式按钮，而不是按压式按钮。在任何情况下，接近式触摸传感器都没有移动部件。没有弹簧，没有敲击，没有跳动的键帽。而且，它们可以满足任何空间要求。没有任何突出的东西，因此开发人员可以将它们直接安装在设计轮廓上。

飞思卡尔推出的接近传感器系列产――MPR03x器件被优化设计为最适合管理具有两个电极(带中断IRQ功能)或三个电极(IRQ功能被禁用)的应用。由于其高灵敏度且带有一些经优化的特制功能，所以能适应各种应用场合。

MPR03x传感器最多可以管理3个触摸板电极，其中一个电极可选择作为中断输出负责向主机通告电极状态的变化。该中断输出与第3个电极输出进行复用，因此使用该中断输出将电极输入数减为2个。MPR03x传感器包括三级输入信号过滤，以检测由于触摸而引起的触摸板输入条件变化，不需要应用做任何算法处理。

所有MPR03x传感器都作为I2C从动器件操作，以高达400 kbit/s的数据速率，通过I2C双线接口发送和接收数据。双线接口使用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，实现主从器件之间的双向通信。主器件(通常是微控制器)发起MPR03x传感器的所有数据传输，同时生成同步数据传输的SCL时钟。

配置

MPR03x接近电容式触摸传感控制器拥有三级滤波器。第一级和第二级滤波器允许应用程序对输入信号进行调理，以防止意外状态变化。第一级滤波器过滤高频噪音，第二级滤波器过滤低频噪音，第三级滤波器可以配置为触摸信号基线的检测。

另外，各个电极具有的独立触摸和释放跳变阈值寄存器。这些滤波器还可以提供系统迟滞，具体说来，用户可以对每个电极单独进行触摸和释放阈值寄存器配置，防止任何电极在某个阈值内出现抖动。触摸阈值在电容增加时激活，释放阈值在电容朝基线回降时激活。

MPR03x器件的一个独特功能是拥有可设置的电容范围，因而一个器件可以覆盖各种不同的应用。由于电容测量是基于电荷充放的模式，所以提供的电荷总和是影响电容范围的唯一因素。在这种情况下、提供的电荷由电荷率(恒定电流)与充电时间共同决定。电流可以设为1～64μA，充电时间可以设为500ns-2μs，电压测量范围是0.7～2.0V，这样电容测量值的范围就是0.25～2900pF，只需修改两个参数，这个范围就足以涵盖从很大的电极到只有指尖大小的触摸按键。

MPR03x系列中MPR031(地址：0x4A)和MPR032(地址：0x4B)有不同的I2C设备地址。这意味着同一个I2C总线上可以使用两个有不同地址的部件，从而在同一个系统内就能够部署4～6个更多的电极。利用这一灵活性，根据应用系统的优化，MPR03x器件可以在经过配置后实现最大功能或能效。

MPR03x系列的应用

MPR03x系列电容式触摸传感控制器为触摸控制带来了很多过去根本不可能的新机会。总的来说，这类应用都具有下面的一个或多个特征：

1、外形小巧，通常是手持应用；

2、电池使用寿命特别长：

3、电子设计特别简单。

・蓝牙耳机――蓝牙耳机变得越来越小，因此对按钮的大小和位置有一定限制。使用触摸按键可以使设计变得更简单，用一两个简单的多功能按钮就能控制电源、配对和音量。对于空间更大的器件，可以用两个按钮完成这些任务、以实现更大的使用便利性。由于尺寸限制和电池很小，使得蓝牙耳机成为MPR03x低功率传感控制器的理想应用。

・桌灯――使用简单金属触点开关(带触摸激活功能)的桌灯已经上市多年了。但如果使用MPR03x，则可以实现更精确的控制，包括灯光调暗、开／关控制，甚至家庭自动化智能等。使用更智能的传感器，将为现代家庭的更多电器带来更简单、更直观的界面。

・瓶装水饮水机――不用摆弄标准瓶装水饮水机上的塑料把手，轻轻触摸一下电容式触摸传感器，饮水机就自动放水。举例来说，MPR03x系列可以分别控制冷水和热水出水的触摸按钮。

・遥控钥匙――遥控锁解决方案(RICE)有三个重要的设计注意事项：超低功耗、外形小巧及使用简便。尺寸为2×2mm2的小型MPR03x电容式触摸传感器就能解决所有这3个问题，而且它支持设计人员在钥匙的最终设计中，能够更好地集成上锁、开锁、后备箱开锁和紧急告警功能。

・带LED手电和激光教鞭的多功能笔――MPR03x系列外形小巧，足以集成到只有钢笔大小的应用中，从而在能源预算有限的情况下，在以电池为电源的应用中多增加一些功能。一个开／关按键可以既用来启动LED手电，给低光环境照明，也可以用作演讲时的激光教鞭，而不妨碍笔的纤巧设计。

・手表或闹钟――尺寸仅为2×2mm2的小型MPR03x电容式传感器非常适合于支持像腕表这样的表面空间有限的、器件上的多功能触摸按钮。该传感器的低功率特性还能够延长应用的电池使用寿命。相同传感器还能方便闹钟上的多功能触摸按钮的操作。对于闹钟来说，空间不是至关重要的，但低成本和低功耗仍是首要考虑的问题。

・计算机上的多媒体键――笔记本电脑有很多额外按键，来实现从无线网卡、演示模式到音量控制和基于硬件的DVD播放器等众多功能。MPR03x可以用来简化机械设计为简单的触摸按钮，让计算机呈现简约的现代外观。

・自动调温器――智能调温器被越来越多地用于更有效的气候控制。MPR03x电容式触摸传感器促进了能效更高、使用更便利的自动调温器设计，在一个更优雅的紧凑型设计中，它以触摸板替代机械按钮，来完成时间、温度和菜单选择。

・调光器――电容式触摸传感可以替代“一按即开”和“再按即关”的调光器开关，但这种开关很容易坏。而一个2×2mm2MPR03x电容式传感器能够同时支持两个触摸，其中一个用来调暗，另一个用来调亮，因而不需要移动部件就能切换光线亮度。

・DVD驱动器――这是一个很简单的应用，MPR03x电容式触摸传感器的外形小巧和功耗低特征允许设计人员使用一个可靠的触摸按钮就能打开或关闭光盘托架。

・网络摄像头――大部分网络摄像头都非常简单、紧凑，且价格便宜，无论是用于帧捕捉还是用于视频流。外形小巧、功耗低的MPR03x电容式触摸传感器可以作为一个启动／停止按钮，与网络摄像头集成，以降低复杂性，提高可靠性，保持开发成本和销售价格的低水平。

・飞机座位――对于像商业飞机座位这样的人流量大、容易违反操作流程的环境，触摸按钮尤其有效。经济、可靠的MPR03x电容式传感器可以用于音频／视频信道及音量控制接口。由于没有移动部件，可以最大限度地降低使用期内正常所需的维护。

・咖啡机――对于这样一个每天都会用到的设备，非机械式触摸按钮在其整个生命周期内提供可靠的服务。一个MPR03x传感器通过控制两个按钮(一个用于开／关，另一个用于切换模式)，可以简化设计，提高使用简便性。

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