Obecné vlastnosti kapacitních senzorů

Kapacitní senzory

• Obecné vlastnosti kapacitních senzorů

• Příklady kapacitních senzorů

Obecné vlastnosti kapacitních senzorů

• změnou plochy elektrod S,

• vzdálenosti elektrod d

• změnou relativní permitivity ε_r

d C ₌ ε₀.ε^r.S

d S

ε_d

Změna vzdálenosti elektrod

• ε

= konstanta

• S = konstanta

• Charakteristika je nelineární

1 0

0

1 . . . .

d S d

d

C ε ε_r S = ε ε_r

∆

= +

d C d

C

+ ∆

= 1

1 1

Změna plochy elektrod ( ∆S )

• d = konstanta,

• ε

= konstanta

• b = konstanta

• Charakteristika senzoru je lineární

d l C ₌ ε₀.ε^r.b.

max

max l

l C

C =

d

b l_max

l l

l_max

∆d

Změna plochy elektrod (∆S)

d

b l_max

l l

l_max

∆d

0 1

0.5

0.5 1 l / lmax

C/Cmax

0.1 0 0.2 ∆d / d0

d l d

l C

C

− ∆

=

1 . 1

max max

<<1

∆ d

d

) 1

.(

max

max d

d l

l C

C ≈ + ∆

změna dielektrika (∆ ε

)

• d = konstanta nebo S = konstanta 1. d = konstanta, S = proměnná

CA

l d2

d1 ε₂ ε₁ d

l

CB

lmax

l K l C

C .

max 0

∆ =

změna dielektrika ^(∆ ε

⁾

2. S = konstanta, změna tloušťky dielektrika

3. změna permitivity dielektrika

2 1 2

1

2 1

0

1

ε ε ε

ε

+

−

∆ =

d d

d C d

C

d2

d1

ε₁ d

ε₂

0.1 0.2 0.3

0 5 10 d1/d2

∆C/C0

1/2 1/5 1/10 1/100

ε1/ ε2

Náhradní schéma kapacitního snímače

Riz C CP RP

RV /2

RV /2

LV /2

LV /2

Spojovací vedení

Snímač Měřící obvod

P P

V

V R C

L C

R ω ω1 ,ω ¹

, << <<

r r

d C d

S C S

C C ε

ε

ε ^∆

+

∆ +

∆

=

∆

0

Diferenční senzor polohy

• poměrové měření ⇒ necitlivost na změnu vzdálenosti a dielektrika

x 1

3 2

-x +x

C₁₃

C₂₃

C₁₃ + C₁₃ a)

b)

13 23

13 23

C C

C u C

+

= −

1

2 x

3

4 y

Aplikace

• jednoduchost konstrukce

• malá hmotnost elektrod

• nutnost kompenzace parazitního vlivu spojovacího kabelu

• kapacita snímače závisí rozměrech ⇒

kompenzace vlivu teploty × značná chyba měření.

• kapacitní snímače polohy (geometrické rozměry), tlakové sílý, tlaku, krouticího momentu, hladiny, vlhkosti, zrychlení, analýzy plynů, atd.

Aplikace

• Senzor polohy

• senzor zrychlení

Aktivní stínění

• linearita charakteristiky = homogenní pole

• stínící prstenec = páry 1,2 nebo 2,3 na stejném potenciálu

–

+ 1 2

3

Příklady kapacitních senzorů

• kapacitní senzor teploty s bimetalovou elektrodou

• kapacitní tlustovrstvý senzor atmosférického tlaku

bimetalový proužek substrát TLV elektroda

atmosférický tlak

vakuum

vodivá membrána

TLV elektroda

atmosférický aneroid tlak

TLV elektroda

Kapacitního polymerní senzoru vlhkosti

• hystereze menší než 2% RH

• 90% časová odezva je menší než 1s

horní elektroda

skleněný substrát 6mm x 4mm, tloušťka 0,2mm

spodní Au elektrody

přívody polymer

citlivý na vlhkost

0 20 40 60 80 100

45 50 55 60 65

relativní vlhk ost [%]

kapacita [pF]

100 Hz 1 kHz

10 kHz

100 kHz 1 MHz

10 MHz

Polovodičový kapacitní senzor otisku prstů

• články uspořádané do matice ⇒ rozlišení

• 1 fáze: nabíjecí zesilovač je resetován, zkratován vstup i výstup invertoru

• 2 fáze: určité množství náboje je uzemněno ze vstupu = inverzní napětí na výstupu úměrné zpětnovazební kapacitě

Elektronické detektory

• Automaticky vyvažovaný můstek

( )

R C R

C

U_{dc f}

ω π²

2

∆ 1

=

∆

110

2 1 R

U C R

C = ^C

∆

• Nábojově vyvážený oscilátor

ch s ex ch

off comp

I C V I

C T V

T

T ˆ

ˆ ˆ

ˆ

2 2

1 + = +

=

• Generic capacitive sensor interface

výstup – krok po 0.5 pF

kapacity senzoru

Realizace na DPS