Cảm biến điện dung

4/8/2010
1
CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
CAPACITIVE SENSOR
CAPACITIVE

SENSOR
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 1CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
1.KHÁI NIỆM
Là cảmbiếncóthể đocácđại
l
ượ
ng
v
ậ
t
lý
l
ượ
ng
v
ậ
t
lý
Và biến đổithànhtínhiệu
có
thể
đọc
bởi
người
quan

PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 2
có
thể
đọc
bởi
người
quan
sát hoặcbằng dụng cụ .
CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
4/8/2010
2
• Điệndunglàtỉ số giữa điệntíchvàđiện
thế
g
iữahaitấm
1. KHÁI NIỆM
g
• Được đo theo coulombs/volt. Đơnvị này
đượcgọi là farad [F].
• Điện dung chỉ đượcxácđịnh đốivớihai
tấmvàđiệnthế giữa chúng.
Q
C =
Q
V

C
V
• Cảmbiến điệndunggồmmộttụđiệnphẳng
hoặctụđiệnhìnhtrụ có mộtbảncựccóthể di

chuyển
và
được
nối
cứng
với
dịch
chuyển
cần
1.KHÁI NIỆM
chuyển
và
được
nối
cứng
với
dịch
chuyển
cần
đo. Khi bảncựccủatụđiệndịch chuyểnsẽ kéo
theo su thay đổi điện dung củatụ.
• Điện dung củatụđiệnphẳng đượcbiểudiễn
bằng công thức:
0r
A
C
d
ε
ε
=

4/8/2010
3
Điện dungcủahaibảntụ songsong
– Giả thuyếtdnhỏ, ε
0
là hằng sốđiệnmôicủa
chân không, ε
r
là hằng sốđiện môi giữahai
tấ
S
là
diệ
tí h
ủ
á
tấ
d
là
kh ả
1.KHÁI NIỆM
tấ
m,
S
là
diệ
n
tí
c
h

c
ủ
ac
á
c
tấ
m,
d
là
kh
o
ả
ng
cách giữa các tấm.
– ε
0
8.854x10
−12
F/m
C =
ε
0
ε
r
S
d
F
HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI
Material
ε

r
Material
ε
r
Material
ε
r
Quartz 3.8-5 Paper 3.0 Silica 3.8
GaAs 13 Bakelite 5.0 Quartz 3.8
Nylon 3.1 Glass 6.0 (4-7) Snow 3.8
Paraffin 3.2 Mica 6.0 Soil (dry) 2.8
Perspex 2.6 Water (distilled) 81 Wood (dry) 1.5-4
Polystyrene foam 1.05 Polyethylene 2.2 Silicon 11.8
Teflon 2.0 Polyvinyl Chloride 6.1 Ethyl alcohol 25
Ba Sr Titanate 10,000.0 Germanium 16 Amber 2.7
A
i
r
1.0006
G
lycerin 50 Plexiglas 3.4
Rubber 3.0 Nylon 3.5 Aluminum oxide 8.8
4/8/2010
4
Điện dung C phụ thuộc vào 3 yếu tố:
A
εε
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
0 r
A

C
d
εε
=
d
ξ
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 7
d
A
ξ
r
CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
• ThayđổikhoảngcáchgiữahaitấmThayđổidiệntích
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
• Thayđổihằngsố điệnmôigiữahaitấm
4/8/2010
5
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
b. Thay đổi hằng số điện môi
a. Thay đổi diện tích
c. Dạng vi sai
a/ Thay đổikhoảng cách giữahaitấm
a/

Thay

đổi

khoảng

cách

giữa

hai

tấm
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ CẢMBIẾNĐIỆNDUNG 10
4/8/2010
6
• Bản c
ự
c cố đ
ị
nh
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
a/ Thay đổi khoảng cách giữa hai tấm
ự ị
• Bản cực di động
Thay đổi khoảng cách giữa hai bề mặt => thay đổi điện
dung.Dùng cảm biến điện dung với khả năng làm việc
cao có thể đo với độ phân giải nhỏ hơn 1 nanometer.
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 11CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
a/ Thay đổi khoảng cách giữa hai tấm
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 12
0
1
r
L

W
C
d
ε
ε
=
0
2
r
L
W
C
d
ε
ε
=
+
∆
CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
4/8/2010
7
Di chuyển giữa hai tấm điện cực
0
C
∆
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
a/ Thay đổi khoảng cách giữa hai tấm
00
1
rr

AA
C
dd
ε
εεε
∆= −
−
∆+∆
0
0
C
∆
=
22
00
11
rr
AA
C
εε εε
⎛⎞⎛⎞
∆∆ ∆∆
∆= ++
−−
+
⎜⎟⎜⎟
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 13
1
22
11

C
dddddd
∆= ++ +
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
0
1
2
*
r
A
C
dd
ε
ε
∆
∆=
CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
d
x
ACC =−
ε
21
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
a/ Thay đổi khoảng cách giữa hai tấm
x
d
−
4/8/2010
8

b/Thay đổi diện tích
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ CẢMBIẾNĐIỆNDUNG 15
Ví dụ Dùng phần chung giữahaitấmtụ điện để đo
d
ị
h
h
ể
B
ằ
áh
đ
đi
ệ
d
hú
t
ũ
2.CÁCPHƯƠNGPHÁP
b/ Thay đổi diện tích giữa hai tấm
d
ị
c
h
c
h
uy
ể
n.
B

ằ
ng c
á
c
h
đ
o
đi
ệ
n
d
ung c
hú
ng
t
ac
ũ
ng
có thể xác định đượcdịch chuyểndokhiđốitượng
di chuyểncũng làm thay đổi điện dung
.
4/8/2010
9
2.CÁCPHƯƠNGPHÁP
b/ Thay đổi diện tích giữa hai tấm
17
LW
εε
()
WL x

εε
4/8/2010
0
1
r
LW
C
d
εε
=
0
2
()
r
WL x
C
d
εε
−
=
2
1
CLx
CL
−
=
2.CÁCPHƯƠNGPHÁP
b/ Thay đổi diện tích giữa hai tấm
18
4/8/2010

TouchPadTechnology
4/8/2010
10
• Dùng đo góc
2.CÁCPHƯƠNGPHÁP
b/ Thay đổi diện tích giữa hai tấm
• Sử dụng các cảmbiến điện dung để đophần
t ă
ủ
ớ
t
dầ
ủ
á
hà
á
l
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
c/ Thay đổi hằng số điện môi giữa hai tấm
t
r
ă
mc
ủ
anư
ớ
c
t
rong
dầ

uc
ủ
ac
á
cn
hà
m
á
y
l
ọc
dầu.
• Và sử dụng trong các nhá máy lương thực để
đo độ ẩmchứa trong bộtmì
PGS.TSTHÁITHỊ THUHÀ 20CẢMBIẾNĐIỆNDUNG
4/8/2010
11
| Điện dung củatụ song song phụ thuộcvàohằng số điện
môi
gi
ữ
a
các
t
ấ
m
.
N
ế
u

g
ọ
i
chi
ề
u
r
ộ
ng
c
ủ
a
t
ấ
m
w
thì
đi
ệ
n
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
c/ Thay đổi hằng số điện môi giữa hai tấm
môi
gi
ữ
a
các
t
ấ
m

.
N
ế
u
g
ọ
i
chi
ề
u
r
ộ
ng
c
ủ
a
t
ấ
m
w
thì
đi
ệ
n
dung C là
•Phần dịch chuyển có thể đo bằng cách lắp đối tượng với phần tử có chất
điện môi được đặt giữa hai tấm
• Dạng hình trụ
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
c/ Thay đổi hằng số điện môi giữa hai tấm

a là bán kính trong của hình trụ ngoài, b là bán kính ngoài của hình trụ trong
• Có thể sử dụng loại này để đo mức, nó bao gồm hai tụ điện với chiều cao là h và cái
kia là (L - h ). Do vậy
4/8/2010
12
|Đomứcchấtlỏng:
y Có thể cảmnhậnbởibấtkỳ cảmbiếnvị
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
trí hay tiệncậnnào,b
ở
is
ự
cảmnhận
trựctiếpvị trí bề mặtcủachấtlỏng hoặc
thông qua phao mà sau đónósẽ làm
thay đổi điệndungcủatụ song song hay
tụ xoay
ấ
y M
ứ
cch
ấ
tlỏng nh
ư
chỉ ra
ở
hình dư
ớ
icó
thể đo đượckhichất điện môi trung gian

giữacáctấmthayđổikhimứcchấtlỏng
thay đổi
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP
Đomứcchấtlỏng:
v
o
Capacitance
Bridge
k
Fixed
Plate
Level
h
Liquid
4/8/2010
13
3.PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ BIẾN
THIÊN ĐIỆN DUNG
| Cầu Sauty và tụ vi sai
S
S
e
1
A
2
A
3
A
21
C

m
V
31
C
m
i
Do cấutrúcmạch điệnnêncóthể
bỏ qua ảnh hưởng củacáctụ ký
sinh cùng vớisự thay đổicủa
chúng. Do vậy điệnápcần đosẽ
được tính bằng biểuthức:
C
C
3121
3121
2 CC
C
C
e
V
S
m
+
−
=
Trong cả hai trường hợpdùngtụđiện
diện tích thay đổihoặctụđiệncókhoảng
cách giữacácbảncựcthayđổi, điệnáp
đotỉ lệ tuyến tính vớidịch chuyển.
| Sơ đồ R-C chế độ động

3.PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ BIẾN
THIÊN ĐIỆN DUNG
Khi độ dịch chuyểncần đo
thay đổi nhanh, có thể dùng sơ
đồ đothế gồmmột điệntrở R
cốđịnh mắcnốitiếpvớimộttụ
điệnCbiến thiên và sử dụng
nguồn nuôi mộtchiều
c
V
R
V
S
e
Xét trường hợp điện dung của tụ thay đổi theo hàm sin xung quanh một giá
ị ố đị h
tr
ị
c
ố

đị
n
h
:
tCCC
ω
sin
10
+

=
Theo sơ đồ mạch ta có:
SRC
EVV
=
+
iRV
R
.=
∫
=
t
C
idt
C
V
0
1
Trong đó
và
4/8/2010
14
4. CÁC ỨNG DỤNG
I.Cảm biến điện dung kiểm tra sự có mặt của con người
Cảmbiến này dùng trong các trường hợptựđộng nhưđèn, quạt, hoặcdùngđể
chống trộm. Ban đầugiữabảntụ và đấttạo thành tụđiệnC1,khicóngườixuất
hiện, có vai trò như vậtdẫn, tạo thành hai tụđiệnmới, tụđiệnC
a
giữangườivà
bản

tụ
tụ
điện
C
b
giữa
người
và
mặt
đất
Nên
lúc
này
điện
dung
giữa
bản
tụ
và
bản
tụ
,
tụ
điện
C
b
giữa
người
và
mặt

đất
.
Nên
lúc
này
điện
dung
giữa
bản
tụ
và
mặt đấtsẽ thay đổi thành
KIỂM TRA CHIỀU DẦY
Vị í ủ hã á ì h lắ đặ
4. CÁC ỨNG DỤNG
|
Vị
tr
í
c
ủ
a n
hã
n trong qu
á
tr
ì
n
h

lắ
p
đặ
t
| Đếm các nhãn
| Nhận biết keo dáng
| Chiều dày keo
| Kiểm tra lắp đặt
4/8/2010
15
KIỂM TRA VỊ TRÍ LẮP RÁP
4. CÁC ỨNG DỤNG