電容式傳感器研究現(xiàn)狀及趨勢

1、電容式傳感器研究現(xiàn)狀及趨勢作者日期：電容式傳感器研究現(xiàn)狀及趨勢摘要：電容式傳感器是把被測量轉換為電容量變化的一種參量型傳感器.廣泛應用于壓力、液位、位移等各 種檢測中。隨著傳感器的不斷發(fā)展與成熟，電容式傳感器作為一項前途廣闊的新型技術，日益受到人們的重 視。關鍵字:電容式傳感器工作原理測量電路應用中圖分類號:TP212文獻標識碼Aapacitive sensor research present situation and the trendJi XinyunAbstract: capacitive sensor is to be measured into a capacitanee cha

2、nge parameter type sensors, widely used in pressure, liquid level, displacement, etc. Various kinds of detection. With the continuous development of sensor and mature, the capacitive sensor as a promising new technology, the increasingly brought to the attention of the people.Key words： Capacitive s

3、ensors Working principle Measurement circuit Application0引言電容式傳感器具有結構簡單、體積小、分辨率高、動態(tài)響應好、電容量?。ㄒ话銥閹资綆装傥⒎ǎ?、 負載能力差、易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象等特點。傳感器是可以將非電量轉換為電量的一種器件.在通信 技術中信息的捕獲方面起著非常重要的作用，而作為眾多類型傳感器中的一種，電容式傳感器有著許多優(yōu) 點，應用也非常廣泛。2、電容傳感器的基本結構及工作原理該傳感器是一種把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就 是具有可變參數(shù)的電容器。其最常見的結構包括平板狀和圓筒狀，簡

4、稱平板電容器或者圓筒電容器。平板電容式傳感器的結構圖如圖算a所示。在不考慮邊緣效應的情況下，其電容的計公式為cAA.d兩平行板所覆蓋的面積及之間的距離；電容極板間介質的介電常數(shù)和相對介電常數(shù)；設動極板相對于定極板的平移距離為X ,則電0自由空間（真空）介電常數(shù),120=8.854* 10 12F /mod、S、三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此平板電容式傳感器可分 為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。圖（a）圓筒電容式傳感器的結構圖如圖b所示。在不考慮邊緣效應的情況下，其電容的計算公式為2orlln(D/d)b)當被測參數(shù)r或者丨變化時，將導致圓筒電容式傳感器的

5、電容量C發(fā)生變化。因此圓筒電容式傳感器可分為變介質介電常數(shù)的變介質型和變極板間覆蓋高度的變面積型兩類。U1.1變面積型1）線位移變面積型對于平板狀結構.當被測量通過移動極板引起兩極板有效覆蓋面積A發(fā)生變化時.將導致電容量變化。結構原理圖如圖C所示。容為ccoCo初始電容；C電容的變化量。電容的相對變化量為CxC0COr由此可見，平板電容式傳感器的電容該變量C與水平位移x成線性關系。圖（c）2）角位移變面積型角位移變面積型電容式傳感器的原理如圖d所示。當動極板有一個角位移時，與定極板間的有效覆蓋面積將變?yōu)閳D中陰影部分.即A Ao r2 /2. Aor2 /2此時電容量為可知傳感器的電容改變量C與

6、角位移成線性關系。0變面積型電容式傳感器也可以接成差動形式，靈敏度同樣會加倍。Ai圖(d)1.2變介質型變介質型電容式傳感器就是利用不同介質的介電常數(shù)各不相同，通過介質的改變來實現(xiàn)對被測量的檢測，并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。2)平板結構平板結構變介質型電容式傳感器原理如圖布位e所示，由于在兩極板間所加介質的分置不同，可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種情況。A2G)串聯(lián)型(b)并聯(lián)型可得.介質改變后的電容增量與所加介質的介電常數(shù)1成線性關系。圖（e）對于串聯(lián)結構.可以認為是上下倆個不同介質電容式傳感器的串聯(lián)，介質改變后的電容增量為2 C C Co Cod0 01di對于并聯(lián)結構，可認為是左右

7、倆個不同介質電容式傳感器的并聯(lián)，量為介質改變后的電容增CCCooAi( 11)2.圓筒結構如圖f所示，為圓筒結構變介質型電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖，設被測介質的 相對介電常數(shù)為液面高度為h.變換器總高度為H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D.此時相當于倆個電 容器的并聯(lián)。對于筒式電容器，如果不考慮端部的邊緣效應，可得總的電容值為CCCo2 h (il) ln(D /d)可得，電容增量C與被測液位的高度h成線性關系。1.3變極距型do時，其初始電容量(1)工作原理分析當平板電容式傳感器的介電常數(shù)和面積為常數(shù).初始極板間距為Or Ado測量時，一般將平板電容的一個極板固定即定極板，另一個極

8、板與被測體相連即動極板。如果動極板 因被測參數(shù)改變而位移，導致平板電容極板間距縮小d .電容量増大C.則有Or ACododId/dog所示可知平板電容器間距的變化引起電容量的相對變化關系如圖由圖可得即使相同的極板間距的改變(dich).也可能引起不同的電容量的變化(Ci C2).因為平板電容式傳感器在不同位置的靈敏度(曲線的斜率)是不一樣(Ki K2)。叫6 d2 d2d經(jīng)線性化除了可得電容增大量為coC dd0由此可見，C與d為近似線性關系。(2)非線性分析根據(jù)分析可知，變面積型電容式傳感器和變介質型電容式傳感器的輸入量與輸出電容量間的關系均為線 性，只有變極距型電容式傳感器的輸入量與輸出

9、量間存在著非線性關系。但這是在忽略邊緣效應下得出的結 論.實際上由于邊緣效應引起漏電力線，使極板間電場分布不均勻，因此，變面積型和變介質型電容式傳 感器仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型電容式傳感器好得多。141變極距型電容式傳感器的靈敏度為C/CoId do在實際應用中，為了既提高靈敏度.又減小非線性誤差.通常采用差動結構.如下圖所示.一 , .Cd由dd0 0C/Co1dod總上所述可知.變極距型電容式傳感器做成差動結構后，靈敏度提高了一倍，非線性誤差因為轉化為二次方關系而得以大大降低。2、電容傳感器的測量電路電容傳感器的特點電容量小，變化更小。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的

10、測量電路，但由于 電容及變化太小，不易實現(xiàn)。測量電路有調(diào)頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T形交流電橋、脈沖寬度 調(diào)制電路等，前倆個用于單個電容量變化的測量，后兩個用于差動電容量變化的測量。2.1調(diào)頻電路振蕩頻率2 L(CiCCo)fo2 L(CiC2CoC)fo f特點:1）轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。2）具有較高的靈敏度.可以測量高至 0.01 irn級位移變化量。3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉換）轉化為電壓信號后.進行補償。限幅2.2運算放大器輸出電壓與輸入位移間存在線性關系U.ZcojwCowCo0jwCJwC XdC0U i2.3變壓式交流電橋在放大器輸入阻抗

11、極大的情況下.輸出電壓與位移成線性關u = =2ui -沱2 Z1 乙+乙22Zi Z2=cr c2 Ui0= Ci C2Cl= A dO_ dC = A2 dO dUo = dao 2對于變極距型電容式傳感器2.4二極管雙T型交流電橋該測量電路的優(yōu)點：電路簡單,無需相敏檢波和整流電路,便可得到較高的直流輸出電壓。輸出信號的上升時間取決于負載電壓，可用于測量高速機械運動。在負載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關。3.電容式傳感器的應用電容式傳感器可以用來測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往用單極式變間隙式傳感器。近年來已采用這種方法測量油膜等物質的厚度?？梢灾苯訙y量的

12、非電量為直線位移、角位移及 介質的幾何尺寸，直線位移及角位移可以使靜態(tài)的.也可以是動態(tài)的例如是直線振動及角振動。3.1電容式差壓變送器實現(xiàn)了差壓-電容的轉換。如果采用脈沖寬度調(diào)制測量電路，容易得到電路輸出電 壓與差壓成線性關系。特點:結構簡單、靈敏度高、響應速度快(100ms ),能測量微小差壓(0- 0.75Pa) 0CLCH =KPh Pl) = K3.2電容式加速度傳感器特點:頻率響應快、量程范圍大CcoatCdat23.2電容式測厚儀電容式測厚儀式用來測量金屬帶材在榨汁過程中厚度的檢測儀器。金屬帶材在軋制過程中不斷前行，如果帶材厚度有變化，將導致 上下兩個電容器的極板間距離發(fā)生改變.從

13、而引起電容量的變化。從 將電容器接入相應的測量電橋，產(chǎn)生不平衡輸出. 而對帶材厚度的質量進行判定。151由于電容傳感器具有抗電子干擾和反隱身性能，而應用于軍事領域。在普通應用場合，電容傳感 器電極被設計成類似于普通電容電極式結構，即電容傳感器電極具有對稱性。而在某些特殊應用場合，電 極結構和組合方式是非對稱性的.以便提高它的靈敏度。當電容傳感器被用于近感探測定距時.它是利用 電容傳感器載體接近被探測物體時.引起傳感器自身周圍電場的擾動，在傳感器探測電極和目標之間、目 標和傳感器另一電極之間出現(xiàn)電容作用，使得傳感器的等效電容發(fā)生變化，利用這個變化而實現(xiàn)定距的。 傳感器電極大小和組合方式，對靈敏度

14、和探測距離具有決定意義。電容器傳感器的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜，靈敏度高，過載能力強，動態(tài)響應特性好和對高 溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。70年代末以來.隨著集成電路技術的發(fā)展.出現(xiàn)了與微型測量 儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到 克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌當前技術水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。今后， 隨著CAD技術、MEMS技術、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加 微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透的當今社會，作為現(xiàn) 代科學耳目”的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和