發布日期：2022-10-09 點擊率：114
電容傳感器是將被測的非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器，它不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機械量，還能測量液面、料面、成分含量等熱工參量。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動態范圍大、動態響應較快、幾乎沒有零漂、結構簡單和適應性強等優點。因此，電容傳感器在自動檢測技術中占有很重要的地位，并得到廣泛的應用。但它在使用過程中也存在一些問題：
靈敏度的問題由兩平行板組成的一個電容器，若忽略其邊緣效應，其電容量可用下式表示：
式中，S為極板相互遮蓋面積，單位為m2;d為兩平行板間的距離，單位為m;ε為極板間介質的介電常數;εr極板間介質的相對介電常數;ε0真空的介電常數。從上式可以看出，當d小時可使電容量增大，而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般我們可以采取在極板間放置云母來改善，此時電容C為兩電容串聯，可寫成：
式中，ε1云母片的介電常數;ε2空氣的介電常數;d0為氣隙寬度;d為兩極板間的距離。云母的介電常數為空氣的7倍，云母的擊穿電壓不少于103kv/mm，空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm。厚度僅為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也不小于10kv/mm，因此有了云母片，極板之間的距離可大大減小，還能使電容傳感器輸出特性的線性得到改善。提高靈敏度除了采用加云母片的方法外，還可以采取以下措施：
1.提高電源頻率。
2.減小極板厚度可削弱邊緣效應。
電容傳感器中一些量的變化范圍在變極間距離的電容傳感器中，由于減小極間距離可以提高靈敏度，多用來測量微米級的位移，一般極板間距離不超過1mm，最大位移量應限制在間距的1/10范圍內;在變極板工作面積的傳感器中，可以測量厘米級的位移。在電容傳感器中，正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設計既可以使傳感器滿足測量范圍的要求，又可以提高靈敏度，減小非線性誤差。一般其電容的變化在103PF～104PF范圍內，相對值ΔC/C的變化則在10-6～1范圍內。電容元件輸出阻抗一般在108Ω～106Ω，該數值還與所采用的交流電源頻率有關。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度，電源頻率一般采用在50kHz以上，但是采用高頻電源使信號放大、傳輸等問題比低頻時復雜的多。
分布電容的影響問題電容傳感器一個很關鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略，而且影響還極其嚴重，其后果是造成傳輸效率降低、靈敏度下降、測量誤差增加及穩定性變差。近幾年來，對此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”就是一例，以差動電容傳感器為例，說明整體屏蔽法，在下圖中，CX1、CX2為差動電容，U為電源，A為放大器，整體屏蔽法是把整個電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來，設計的關鍵點在于接地點的合理設置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間與整體屏蔽共地，這樣，傳感器公用極板與屏蔽之間的分布電容C1與放大器的輸入阻抗并聯，從而可把C1視作放大器的輸入電容。由于放大器的輸入阻抗有極大值，C1的并聯也不希望存在，但它只影響靈敏度而已，另外兩個分布電容C3、C4并聯在橋臂R1、R2上，會影響電橋的初始平衡和整體靈敏度，并不影響電橋的正常工作。因此，分布參數對傳感器電容的影響基本消除，整體屏蔽法是解決電容傳感器分布電容問題的很好方法，缺點是使結構復雜。
圖1 消除分布電容的工作電路圖
非線性問題變間隙式電容傳感器相對輸出表達式為：
由上式可知變間隙式電容傳感器相對輸出與輸入為非線性關系。由于Δd/d<<1，工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法：
1.近似線性處理：即取上式右邊第一項近似，有：
2，近似非線性處理：即取相對輸出表達式的前兩項近似，有：
上述兩種近似產生的相對非線性誤差為：
以上分析說明，相對非線性誤差r0與間隙d0也成反比例關系，因此提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。在實際應用中，為解決這一矛盾，大都采用差動式電容傳感器。
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振動傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
在高度發展的現代工業中，現代測試技術向數字化、信息化方向發展已成必然發展趨勢，而測試系統的最前端是傳感器，它是整個測試系統的靈魂，被世界各國列為尖端技術，特別是近幾年快速發展的IC技術和計算機技術，為傳感器的發展提供了良好與可靠的科學技術基礎。使傳感器的發展日新月益，且數字化、多功能與智能化是現代傳感器發展的重要特征。
中文名
振動傳感器
測試方法
機械式，光學式，電測
分 類
相對式，電感式，電流式等
別 名
換能器、拾振器
屬 于
一種機電轉換裝置
目錄
1
發展趨勢
2
測試方法
?
機械式
?
光學式
?
電測
3
接收原理
4
機電變換
5
分類
振動傳感器發展趨勢
語音
1.引入新技術發展新功能
[1]
隨著人們對自然認識的深化，會不斷發現一些新的物理效應、化學效應、生物效應等。利用這些新的效應可開發出相應的新型傳感器，從而為提高傳感器性能和拓展傳感器的應用范圍提供新的可能。圖爾克市場技術部產品經理兼技術支持主管楊德友向記者表示，“目前傳感器界的最大特點就是不斷引入新技術發展新功能。”如檢測金屬產品位置的電感式接近開關，它利用金屬物體接近能產生電磁場的振蕩感應頭時在被測金屬上形成的渦流效應來檢測金屬產品的位置。由于不同金屬渦流效應的效果不同，因此不同金屬的檢測距離是不一樣的，尤其是面對各類合金時，普通的電感式接近開關就顯得力不從心，這就要求生產廠商在提高產品功能上下功夫。由于電感式接近開關其內部結構是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設計理念下發展，那么只能在技術上開發出可以替代鐵氧體線圈的產品來提高產品的性能。圖爾克公司的電感式接近開關就摒棄了鐵氧體磁芯，從而去掉了磁芯的限制。這樣在檢測不同金屬時可以通過電路調節提高產品的檢測距離，并且全金屬檢測距離無衰減，抗干擾能力也有所提升。2. 利用新材料發展新產品傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，隨著材料科學的進步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器，光導纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器，用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。將高分子電介質做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理制成的等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，具有測濕范圍寬、溫度范圍寬、響應速度快、尺寸小、可用于小空間測濕、溫度系數小等特點。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩定，年漂移量的滿量程誤差不超過0.1%，溫漂小，抗過載更可達量程的數百倍。光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，光纖傳感器與傳統傳感器相比有許多特點：靈敏度高、結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現遙測等。而光纖傳感器與集成光路技術的結合，加速了光纖傳感器技術的發展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，光纖傳感器又具有了高帶寬、低信號處理電壓、可靠性高、成本低等特點。
振動傳感器測試方法
語音
在工程振動測試領域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數的測量方法及測量過程的物理性質來分，可以分成三類。
振動傳感器機械式
將工程振動的參量轉換成機械信號，再經機械系統放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現場測試時較為簡單方便。
振動傳感器光學式
將工程振動的參量轉換為光學信號，經光學系統放大后顯示和記錄。如讀數顯微鏡和激光測振儀等。
振動傳感器電測
振動傳感器
[2]
將工程振動的參量轉換成電信號，經電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應用得最廣泛的測量方法。上述三種測量方法的物理性質雖然各不相同，但是，組成的測量系統基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環節。1、拾振環節。把被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的信號，完成這項轉換工作的器件叫傳感器。2、測量線路。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設計的。比如，專配壓電式傳感器的測量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。3、信號分析及顯示、記錄環節。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結果。
振動傳感器接收原理
語音
振動傳感器 原理
振動傳感器在測試技術中是關鍵部件之一，它的作用主要是將機械量接收下來，并轉換為與之成比例的電量。由于它也是一種機電轉換裝置。所以我們有時也稱它為換能器、拾振器等。振動傳感器并不是直接將原始要測的機械量轉變為電量，而是將原始要測的機械量做為振動傳感器的輸入量，然后由機械接收部分加以接收，形成另一個適合于變換的機械量，最后由機電變換部分再將變換為電量。因此一個傳感器的工作性能是由機械接收部分和機電變換部分的工作性能來決定的。1、相對式機械接收原理由于機械運動是物質運動的最簡單的形式，因此人們最先想到的是用機械方法測量振動，從而制造出了機械式測振儀（如蓋格爾測振儀等）。傳感器的機械接收原理就是建立在此基礎上的。相對式測振儀的工作接收原理是在測量時，把儀器固定在不動的支架上，使觸桿與被測物體的振動方向一致，并借彈簧的彈性力與被測物體表面相接觸，當物體振動時，觸桿就跟隨它一起運動，并推動記錄筆桿在移動的紙帶上描繪出振動物體的位移隨時間的變化曲線，根據這個記錄曲線可以計算出位移的大小及頻率等參數。由此可知，相對式機械接收部分所測得的結果是被測物體相對于參考體的相對振動，只有當參考體絕對不動時，才能測得被測物體的絕對振動。這樣，就發生一個問題，當需要測的是絕對振動，但又找不到不動的參考點時，這類儀器就無用武之地。例如：在行駛的內燃機車上測試內燃機車的振動，在地震時測量地面及樓房的振動……，都不存在一個不動的參考點。在這種情況下，我們必須用另一種測量方式的測振儀進行測量，即利用慣性式測振儀。2、慣性式機械接收原理慣性式機械測振儀測振時，是將測振儀直接固定在被測振動物體的測點上，當傳感器外殼隨被測振動物體運動時，由彈性支承的慣性質量塊將與外殼發生相對運動，則裝在質量塊上的記錄筆就可記錄下質量元件與外殼的相對振動位移幅值，然后利用慣性質量塊與外殼的相對振動位移的關系式，即可求出被測物體的絕對振動位移波形。
振動傳感器機電變換
語音
一般來說，振動傳感器在機械接收原理方面，只有相對式、慣性式兩種，但在機電變換方面，由于變換方法和性質不同，其種類繁多，應用范圍也極其廣泛。在現代振動測量中所用的傳感器，已不是傳統概念上獨立的機械測量裝置，它僅是整個測量系統中的一個環節，且與后續的電子線路緊密相關。由于傳感器內部機電變換原理的不同，輸出的電量也各不相同。有的是將機械量的變化變換為電動勢、電荷的變化，有的是將機械振動量的變化變換為電阻、電感等電參量的變化。一般說來，這些電量并不能直接被后續的顯示、記錄、分析儀器所接受。因此針對不同機電變換原理的傳感器，必須附以專配的測量線路。測量線路的作用是將傳感器的輸出電量最后變為后續顯示、分析儀器所能接受的一般電壓信號。因此，振動傳感器按其功能可有以下幾種分類方法：按機械接收原理分：相對式、慣性式；按機電變換原理分：電動式、壓電式、電渦流式、電感式、電容式、電阻式、光電式；按所測機械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應變傳感器、扭振傳感器、扭矩傳感器。以上三種分類法中的傳感器是相容的。
振動傳感器分類
語音
相對式電動式傳感器基于電磁感應原理，即當運動的導體在固定的磁場里切割磁力線時，導體兩端就感生出電動勢，因此利用這一原理而生產的傳感器稱為電動式傳感器。相對式電動傳感器從機械接收原理來說，是一個位移傳感器，由于在機電變換原理中應用的是電磁感應定律，其產生的電動勢同被測振動速度成正比，所以它實際上是一個速度傳感器。電渦流式電渦流傳感器是一種相對式非接觸式傳感器，它是通過傳感器端部與被測物體之間的距離變化來測量物體的振動位移或幅值的。電渦流傳感器具有頻率范圍寬（0～10 kHZ），線性工作范圍大、靈敏度高以及非接觸式測量等優點，主要應用于靜位移的測量、振動位移的測量、旋轉機械中監測轉軸的振動測量。電感式依據傳感器的相對式機械接收原理，電感式傳感器能把被測的機械振動參數的變化轉換成為電參量信號的變化。因此，電感傳感器有二種形式，一是可變間隙，二是可變導磁面積。電容式電容式傳感器一般分為兩種類型。即可變間隙式和可變公共面積式。可變間隙式可以測量直線振動的位移。可變面積式可以測量扭轉振動的角位移。慣性式慣性式電動傳感器由固定部分、可動部分以及支承彈簧部分所組成。為了使傳感器工作在位移傳感器狀態，其可動部分的質量應該足夠的大，而支承彈簧的剛度應該足夠的小，也就是讓傳感器具有足夠低的固有頻率。根據電磁感應定律，感應電動勢為：u=Blx&r式中B為磁通密度，l為線圈在磁場內的有效長度， r x&為線圈在磁場中的相對速度。從傳感器的結構上來說，慣性式電動傳感器是一個位移傳感器。然而由于其輸出的電信號是由電磁感應產生，根據電磁感應電律，當線圈在磁場中作相對運動時，所感生的電動勢與線圈切割磁力線的速度成正比。因此就傳感器的輸出信號來說，感應電動勢是同被測振動速度成正比的，所以它實際上是一個速度傳感器。壓電式壓電式加速度傳感器的機械接收部分是慣性式加速度機械接收原理，機電部分利用的是壓電晶體的正壓電效應。其原理是某些晶體（如人工極化陶瓷、壓電石英晶體等，不同的壓電材料具有不同的壓電系數，一般都可以在壓電材料性能表中查到。）在一定方向的外力作用下或承受變形時，它的晶體面或極化面上將有電荷產生，這種從機械能（力，變形）到電能（電荷，電場）的變換稱為正壓電效應。而從電能（電場，電壓）到機械能（變形，力）的變換稱為逆壓電效應。因此利用晶體的壓電效應，可以制成測力傳感器，在振動測量中，由于壓電晶體所受的力是慣性質量塊的牽連慣性力，所產生的電荷數與加速度大小成正比，所以壓電式傳感器是加速度傳感器。壓電式力在振動試驗中，除了測量振動，還經常需要測量對試件施加的動態激振力。壓電式力傳感器具有頻率范圍寬、動態范圍大、體積小和重量輕等優點，因而獲得廣泛應用。壓電式力傳感器的工作原理是利用壓電晶體的壓電效應，即壓電式力傳感器的輸出電荷信號與外力成正比。阻抗頭阻抗頭是一種綜合性傳感器。它集壓電式力傳感器和壓電式加速度傳感器于一體，其作用是在力傳遞點測量激振力的同時測量該點的運動響應。因此阻抗頭由兩部分組成，一部分是力傳感器，另一部分是加速度傳感器，它的優點是，保證測量點的響應就是激振點的響應。使用時將小頭（測力端）連向結構，大頭（測量加速度）與激振器的施力桿相連。從“力信號輸出端”測量激振力的信號，從“加速度信號輸出端”測量加速度的響應信號。注意，阻抗頭一般只能承受輕載荷，因而只可以用于輕型的結構、機械部件以及材料試樣的測量。無論是力傳感器還是阻抗頭，其信號轉換元件都是壓電晶體，因而其測量線路均應是電壓放大器或電荷放大器。電阻應變式電阻式應變式傳感器是將被測的機械振動量轉換成傳感元件電阻的變化量。實現這種機電轉換的傳感元件有多種形式，其中最常見的是電阻應變式的傳感器。電阻應變片的工作原理為：應變片粘貼在某試件上時，試件受力變形，應變片原長變化，從而應變片阻值變化，實驗證明，在試件的彈性變化范圍內，應變片電阻的相對變化和其長度的相對變化成正比。激光激光傳感器利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等，極適合于工業和實驗室的非接觸測量應用。
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振動傳感器分類有哪幾種？依據是什么？
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測試振動傳感器的方法
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2021-07-220
參考資料
1.
振動傳感器種類、原理及發展趨勢
．百度文庫．2008-06-17[引用日期2015-02-15]
2.
振動傳感器
專利名稱：振動電容傳感器的制作方法
技術領域：
本發明是一種振動電容傳感器，適合于檢測各種物體的振動，自動化控制之用。
現有的傳感器種類很多，用于汽車防盜報警器，通常采用開關式、紅外線式，要解決全車體方位防盜監控，只好幾種傳感器同時配合使用，給按裝使用造成困難，設備復雜成本高，可靠性差，對于作案分子盜竊車外部件、零件、輪胎等情況，傳感器就失去了檢測作用。
本發明的目的是提供一種可靠性高，振動電容傳感器，可廣泛用于檢測各種被振動物體，自動化控制，也可用于制作多功能汽車全車體全方位防盜報警器。
本發明振動電容傳感器是由膜片〔1〕、空氣隙〔2〕、極板〔3〕、諧振片〔4〕、諧振片重錘〔5〕、硅像膠填充物〔6〕、引出電極〔7〕、塑料腔體〔8〕、電極小孔〔9〕、絕緣墊圈〔10〕、膜環〔11〕、金屬外殼〔12〕、屏蔽罩〔13〕、組成。(參見圖1)除諧振片外，傳感器的其它部件均置于金屬殼體〔12〕內、且諧振片呈L形立置于膜片表面上，傳感器整個部件裝在屏蔽罩〔13〕內，使用時傳感器固定在被檢測物體上，當物體受振動時，傳感器的諧振片產生振蕩，從引出電極上輸出信號。
本發明是現有傳感器中沒有的，因為采取了電容傳感器原理和諧振片受力振蕩原理，具有檢測物體振動效果好，使用方便、可靠、有廣泛的應用領域和實用價值。
附圖是本發明的一個實施例，也是它的結構原理示意圖，它的結構與電容式傳聲器相似，當傳感器受到外力作用時，諧振片產生振蕩，信號傳導給膜片，使膜片與電極極板間空氣隙、介質系數發生變化，引起膜片與極板所組成的電容容量變化，傳感器輸出信號。由于傳感器本身裝在屏蔽罩內，且膜片上還涂有硅像膠填充物，使傳感器只能接受振動信號，不受聲波信號影響，抗聲波電磁場干擾能力強。
圖1為本發明的具體結構縱向剖面圖。
圖2為本發明的正視剖面圖。
圖3為本發明圖1傳感器諧振片的正視圖。
圖4為本發明的應用電路原理圖。
圖1中諧振片〔4〕是一具有良好彈性的銅片呈L形被粘接在膜片〔1〕上，諧振片的另一端粘有較厚銅板制成的諧振片重錘〔5〕，在膜片〔1〕的表面上涂有硅像膠填充物〔6〕，膜片后面與極板間是空氣隙〔2〕，用絕緣墊圈〔10〕墊起，膜片前有膜環〔11〕，使膜片表面不直接接觸金屬外殼，空氣隙后面是極板〔3〕，在極板上有小孔〔9〕，使空氣流通，極板后據中間接有引出電極〔7〕，膜片的電極是外殼，極板后方是塑料腔體〔8〕、外殼〔12〕有一圓柱形空腔，除諧振片從金屬外殼前開孔引出，整個傳感器裝在屏蔽罩〔13〕內、引出電極〔7〕外露。圖1中膜片、極板、膜環、絕緣墊圈與電容傳聲器所用材料相同。
圖4中，HC是傳感器極頭，D是實際應用時傳感器配接的組合件場效應管，起阻抗變換作用。
權利要求
1.一種振動電容傳感器，其特征在于它由諧振片[4]、膜片[1]極板[3]、引出電極[7]、塑料腔體[8]、金屬外殼[12]、屏蔽罩[13]組成。
2.按照權利要求1所述的傳感器，其特征是諧振片〔4〕呈L形狀，有良好彈性銅片制成，諧振片一端與膜片〔1〕連接，另一端上連接有諧振片重錘〔5〕。
3.按照權利要求1所述的傳感器，其特征是在膜片〔1〕上涂有硅像膠填充物〔6〕。
4.按照權利要求1所述的傳感器，其特征是膜片〔1〕與極板〔3〕之間墊有絕緣墊圈〔10〕，膜片與極板間形成空氣隙〔2〕，在極板上有小孔〔9〕。
5.按照權利要求1所述的傳感器，其特征是除引出電極〔7〕引到殼體外，其它部件均裝在圓形屏蔽罩〔13〕內。
全文摘要
本發明是一種振動電容傳感器，它利用諧振片振蕩改變電容原理實現對被振動物體檢測。適合于檢測各種物體振動。自動化控制之用。使用效果好，方便、可靠，抗聲波電磁場干擾能力強，用于制作汽車防盜報警器可實現全車體全方位監控，有廣泛的應用領域和實用價值。
文檔編號G01H11/06GKSQ
公開日1989年8月2日 申請日期1988年8月1日 優先權日1988年8月1日
發明者趙習經 申請人:趙習經
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MEMS電容傳感器芯片測試原理及重要參數
當SA測試通過后，經過MEMS麥克風保護網，機構上殼及智能音箱主體（包含喇叭及具有功放功能的主控制板）等機構組裝后，需綜合評價MEMS麥克風性能，此性能...
2020-07-28
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電容傳感器電信號MEMS麥克風
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液位測量儀表按測量類型基本可以分為哪兩大類？
絕大多數液體都會沉淀，因而更容易測量。另外一些液體和固體可能會覆蓋或者堵塞傳感器，從而導致錯誤讀數。因此，可能需要非接觸式或者電容式傳感器。
2020-07-22
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電容傳感器導電測量儀表
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奔馳新方向盤覆蓋電容式傳感器：讓系統監測變得更簡單
從奔馳公布的圖片不難發現，E級車采用的新方向盤做了一個不小的調整——首先是，方向盤的按鈕輻條從原先的單層變成了雙層設計，然后是下方的輻條也變成了兩條設計...
2020-06-01
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傳感器電容傳感器系統監測
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二十種電容分類詳解！
一、瓷介電容器（CC） 1.結構 用陶瓷材料作介質，在陶瓷表面涂覆一層金屬（銀）薄膜，再經高溫燒結后作為電極而成。瓷介電容器又分 1 類電介質（NPO、...
2020-05-20
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電容傳感器電容濾波器
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觸控傳感器可以帶來什么好處
在各種不同類別的電子硬件中采用觸控技術，其普及程度隨著的電子產品市場的擴大正在不斷地增加，方便、直觀的操作方式為其市場推廣提供強大的吸引力。
2020-03-25
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傳感器電容傳感器
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