電容式傳感器

1、電容式傳感器摘要：隨著科技的發(fā)展，電容的測量技術(shù)有了很大的進展，它不但廣泛應于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且，還逐步擴大應用與壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面等測量。由于電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，分辨率高，可非接觸量等一系列優(yōu)點，所以電容式傳感器在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應用，并且在市場中不斷地發(fā)展。70年代末以來,隨著集成電路技術(shù)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ｊP(guān)鍵字：電容式傳感器、應用與發(fā)展Abstract: with t

2、he development of science and technology, measurement technology of capacitor has made great progress, it is not only widely used in vibration, displacement, angle, acceleration and other mechanical quantity measurement precision, but also gradually expand the application, and pressure, differential

3、 pressure, liquid level, level, content and other aspects of measurement. The capacitive sensor has the advantages of simple structure, small volume, high resolution, a series of advantages of non- contact measurement, so the capacitive sensors in various fields have been widely used, and continue t

4、o develop in the market. Since the late 70's, with the development of integrated circuit technology, the measuring instrument and micro encapsulated in capacitive sensor. The new sensor can make the effect of distributed capacitance is reduced, the inherent disadvantages are overcome. The capaci

5、tive sensor is a wide range of sensors, has great development potential.Keywords: capacitive sensor, application and development一電容式傳感器原理1.電容式傳感器的基本工作原理由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器如圖1所示. 如果不考慮其邊緣效應,則其電容量式中極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S為平行板所覆蓋的面積;d為兩平行板之間的距離.當被測參數(shù)變化使得式（1）中的S、d或發(fā)生變化時,電容量C也隨之變化.如果保持其中兩個參數(shù)不變,而僅改變其中一個參數(shù),就可把該參數(shù)

6、的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,通過測量電路進一步轉(zhuǎn)換為電壓!電流或頻率輸出,這樣就實現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換.因此,電容式傳感器可分為變極距型!變面積型和變介質(zhì)型3種.2變極距型電容傳感器原理分析圖2為變極距型電容式傳感器的原理圖.當傳感器的和S不變,初始極距為do時,電容器電容量若電容器受外力作用，極距由初始值do縮小了d,則電容器容量為因此,d變化時,電容量C也隨之而變,這就是變極距型電容式傳感器的原理.若是被測物帶動上極板上(下)位移了vd,電容量C也隨之而變,用這種方法就可以測量位移。3變面積型電容式傳感器原理分析圖3是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖.被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋

7、面積S改變,從而得到電容量的變化.當動極板相對定極板沿長度方向平移x時，兩極板對齊面積變?yōu)镾=(a-x)b，則電容量變?yōu)橐虼?x變化時,電容量C也隨之而變,這就是變面積型電容傳感器的原理.若是被測物帶動上極板相對下極板左(右)位移了x,電容量C也隨之而變,用這種方法也可以測量位移。4變介質(zhì)型電容式傳感器原理分析圖4是變介質(zhì)型電容式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖.圖中兩平行極板固定不動,極距d為常數(shù),相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插至電容器中,從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積,傳感器總電容量C為兩種介質(zhì)r1、r2組成的兩個電容并聯(lián).則電容器容量變?yōu)槭街?lo和a表示極板的長度和寬度,0表示真空介電常數(shù);l

8、表示第2種介質(zhì)至極板間的長度.兩種介質(zhì)r1、r2確定以后.變量只有l(wèi),因此,l變化時,電容量C也隨之而變,這就是變介質(zhì)型電容式傳感器的原理。16二、相關(guān)測量電路由于體積或測量環(huán)境的制約，電容式傳感器的電容量一般都較小，須借助于測量電路檢出這一微小電容的增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者電頻率。電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。電容傳感器性能很大程度上取決于其測量電路的性能。由于電容傳感器的電容變化量往往很小，電纜雜散電容的影響非常明顯，系統(tǒng)中總的雜散電容遠大于系統(tǒng)的電容變化值10。與被測物理量無關(guān)的幾何尺寸變化和溫度、濕度等環(huán)境噪聲引起

9、的傳感器電容平均值和寄生電容也不可避免的變化，使電容式傳感器調(diào)理電路設計相當復雜。分立元件過多也將影響電容的測量精度。微小電容測量電路必須滿足動態(tài)范圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。測量儀器應該有飛法（fF）數(shù)量級的分辨率。1.調(diào)頻電路這種電路的優(yōu)點在于：頻率輸出易得到數(shù)字量輸出，不需A/D轉(zhuǎn)換；靈敏度較高；輸出信號大，可獲得伏特級的直流信號，便于實現(xiàn)計算機連接，抗干擾能力強，可實現(xiàn)遠距離測量8。不足之處主要是穩(wěn)定性差。在使用中要求元件參數(shù)穩(wěn)定、直流電源電壓穩(wěn)定，并要消除溫度和電纜電容的影響。其輸出非線性大，需誤差補償。 2、雙T型交流電橋電路電橋電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，適合做精密電

10、容測量；寄生電容影響小，簡化了電路屏蔽和接地，適合于高頻工作。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作，而且電路不具備自動平衡措施，構(gòu)成較復雜9。此電路從原理上沒有消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等措施，效果不一定理想。3.運算放大器電路該電路的最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性，是電容式傳感器比較理想的測量電路。但電路要求電源電壓穩(wěn)定，固定電容量穩(wěn)定，并要求放大倍數(shù)與輸入阻抗足夠大。4.諧調(diào)電路特點：靈敏性好，但工作點不容易選好，變化范圍也比較窄。5.電橋電路電橋電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，適合做精密電容測量；寄生電容影響小，簡化了電路屏蔽和接地，

11、適合于高頻工作。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作，而且電路不具備自動平衡措施，構(gòu)成較復雜9。此電路從原理上沒有消除雜散電容影響的問題，為此采取屏蔽電纜等措施，效果不一定理想106、脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。其優(yōu)點主要有：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求，便于集成組件化；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的要求也不高；電路抗干擾性能較強，不僅適于靜態(tài)測量，也適用于動態(tài)測量，并有較大的動態(tài)工作范圍。此電路對直流電源電壓穩(wěn)定性

12、及電路對稱性有較高要求。三應用現(xiàn)狀1 電容式位移傳感器電容式位移傳感器可以實現(xiàn)非接觸測量,用來測量各種導電材料的間隙、長度、尺寸或位置、振動位移等。CapaNCD(非接觸電容位移傳感器)測量原理的基礎在于理想平板電容的構(gòu)成,兩個平板電極由傳感器和相對應的被測體組成,當恒定的交流電加在傳感器電容上時,傳感器產(chǎn)生的交流電壓與電容電極之間的距離成正比,交流電壓經(jīng)檢波器,與一個可設置的補償電壓疊加,經(jīng)放大,作為模擬信號輸出。capaNCDT610是一個精密的單通道系統(tǒng),它由電容位移傳感器,傳感器電纜和處理信號的前置器組成,用戶可以在現(xiàn)場用二點線性化方法校準。這種傳感器的特點是工作時無磨損,免維修、對被

13、測體沒有作用力、具有高的零點穩(wěn)定性和精度、與被測體導電性能以及導電性能變化無關(guān)而且?guī)缀醪皇軠囟萩apaNCDT610可輸出010V的電壓,在犧牲精度的情況下,測量范圍還可以擴大23倍。72.2 電容式物位傳感器電容式物位傳感器有兩個導電極板(通常把容器壁作為一個電極),由于電極間是氣體、液體或固體而導致靜電容發(fā)生變化,因而可以敏感物位。它的敏感元件有三種形式,即棒狀、板狀和線狀,其工作溫度、壓力主要受絕緣材料的限制。電容式物位傳感器可以采取微機控制,實現(xiàn)自動調(diào)整靈敏度,并具有自診斷功能,同時能夠檢測敏感元件的破損、絕緣性的降低、電纜和電路的故障等,并可以自動報警,實現(xiàn)高可靠性的信息傳遞。由于電

14、容式傳感器無機械可動部分,且敏感元件簡單,操作方便,是目前應用最廣的一種物位傳感器。12.3 固態(tài)電容式指紋傳感器個人身份的確定和權(quán)限的認定是人類社會生活的一個重要環(huán)節(jié),尤其隨著信息網(wǎng)絡時代的到來,人們對安全性的要求越來越高。傳統(tǒng)的身份識別方法在安全性、可靠性方面的不足越來越明顯。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,人們利用電容式傳感器對人體不變的生物特征如指紋進行識別,從而識別人的身份,可靠性大大提高,廣泛應用于養(yǎng)老金領(lǐng)取、人事工資管理、銀行柜員身份確認等很多場合。目前市場上有兩種固態(tài)指紋傳感器,第一種是單次觸摸型傳感器,要求手指在采集區(qū)進行可靠的觸摸;第二種則需要用手指在傳感器表面擦過,傳感器會采集一套

15、特定的數(shù)據(jù)進行快速分析和認證。這兩種指紋傳感器都是利用指紋中凸起的部分置于傳感器電容像素電極時電容量會有所增加,從而通過檢測增加的電容來進行數(shù)據(jù)采集的。目前這兩種指紋傳感器都得到了廣泛的應用。5四、在具體工程中的應用1.PT800型壓力變送器 PT系列產(chǎn)品中的標準型號，內(nèi)置陶瓷電容式傳感器?？梢宰杂蛇x配模擬、數(shù)字現(xiàn)場顯示表頭。有多種過程連接件，可以現(xiàn)場調(diào)零點、滿量程。廣泛應用于自動化工業(yè)中對液體、氣體和蒸汽的測量。22.電容式觸摸屏 目前，電容式觸摸屏已經(jīng)逐漸廣泛應用于消費電子、便攜式產(chǎn)品領(lǐng)域。從理論上說，一根走線、間隔、另一根走線，這就是組成一個電容傳感器的全部所需，直接在這些走線上覆蓋一層

16、絕緣透明塑料膜即可使其成為電路板的一部分。當手指或某物體或人接近或者碰觸到傳感器時，電容傳感器會檢測(或稱感測)到電容值的變化如下圖標所示 3. 電容式CR601A型液位變送器 可將各種液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標準電流信號，遠傳至操作控制室，供二次儀表或計算機裝置進行集中顯示、報警或自動控制。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式，可適用于高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞、防冷結(jié)等特殊條件下液位的連續(xù)檢測，可廣泛應用于電力、冶金、化工、食品、制藥等各行業(yè)和污水處理、鍋爐汽包、煤粉包等場所的液位測量。4五、市場技術(shù)發(fā)展趨勢 近年來隨著科學技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器的點不斷地被克服,應用也越來越廣泛,尤其是出現(xiàn)了數(shù)字式智能

17、化的電容式傳感器,它是一種先進的數(shù)字式測量系統(tǒng)。將其測量部件技術(shù)與微處理器的計算功能結(jié)合為一體,使得測量儀表至控制儀表成為全數(shù)字化系統(tǒng)。數(shù)字式智能化傳感器的綜合性能指標、實際測量準確度比傳統(tǒng)的傳感器提高了很多?？傊?隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器的形式將會多種多樣,其形式應以非接觸式為研制重點。其發(fā)展方向是通過廣泛應用微機等高新電子技術(shù)來獲得全面性能的進一步提高,同時還要向著小型化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。5六、電容式傳感器在應用中的注意事項1克服寄生電容的影響電容式傳器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小(pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易外界干擾，尤其是受大于它幾

18、倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關(guān)鍵。2克服邊緣效應的影響實際上當極板厚度h與極距d之比相對較大時，邊緣效應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。3克服靜電引力的影響電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。4溫度影響環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結(jié)構(gòu)尺寸和對介質(zhì)的影響兩方面。七、結(jié)束語 當前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化