電容式傳感器

1、董少麗200824121214電子信息與機(jī)電工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)2班當(dāng)傳感器與電容合作摘要：此論文主要是論術(shù)本人對(duì)電容式傳感器工作原理、器件特性和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和了解。關(guān)鍵字：傳感器，傳感技術(shù)，電容式傳感器，TransducerorSensor,是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量（如物理量、化學(xué)量、生物量等）并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成有用（與之有對(duì)應(yīng)的關(guān)系的且易于處理和控制）輸出信號(hào)的器件或裝置；它由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路。傳感器中的敏感元件感受被測(cè)量并按照某種確定的關(guān)系將之轉(zhuǎn)換為電量的其它量，再由轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電量，然后經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為有用電信號(hào)。即使這么說，還是覺得它很抽象吧。形象點(diǎn)說，

2、傳感器相當(dāng)如人的五官（眼、耳、口、鼻、舌）和皮膚，采集各種信息并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，產(chǎn)生并發(fā)出各種控制信號(hào)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。而傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，是信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工程技術(shù)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。傳感器的技術(shù)特點(diǎn)是：內(nèi)容范圍廣泛且離散；知識(shí)密集程度高、邊緣學(xué)科色彩濃厚；技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高；功能廣、品種多、性能優(yōu)；應(yīng)用廣。傳感器的分類眾多，可以按工作機(jī)理分類，按被測(cè)量分類，按被測(cè)量的性質(zhì)不同分類，按敏感材料分類，按能量關(guān)系分類，按工作原理分類，按輸出信號(hào)形式分類和按應(yīng)用范圍分類.如果按照工作原理分類，一般有：電阻式、電容式、電感式、壓電

3、式、熱電式、光電式、磁敏、濕敏、光纖式等。而現(xiàn)在要論述的就是電容式傳感器。電容式傳感器，顧名思義，指的是電容與傳感器的組合。它是傳感器的其中一種，因而也是由敏感元件、傳感元件、測(cè)量電路組成。所不同的是，它以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測(cè)或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應(yīng)用于位移、加速度、角度和振動(dòng)等機(jī)械量的精密測(cè)量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測(cè)量。電容式傳感器的特點(diǎn)是：測(cè)量范圍大；靈敏度高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；小功率、高阻抗；機(jī)械損失?。唤Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；但寄生電容影響大，而且變間隙式電容傳感器

4、存在非線性誤差。電容式傳感器的分類也是多種多樣的，按工作原理可分為變間隙式（變極距型）、變面積式、變介電常數(shù)式（變介質(zhì)型）；按極板結(jié)構(gòu)分為平板式和圓柱式；按被測(cè)量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。x現(xiàn)在以平板電容器為例來說明其工作原理如圖1-1所示，其電容為：2圖1-1p_A_orSC一一dd名-極板間介質(zhì)介電常數(shù)%-真空介電常數(shù)1，0=（pF/cm）3.63-介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)rS3.6二def二c、，c、(c)s一(c)l=1_d。-xc()lcd0Y圖1-2xd0變極距型傳感器的特性曲線當(dāng)極板間距減小d(令：d=x)后的電容為：C1=£S/(do-x)C/Co=(C1-C0

5、)/C0=x/(do-x)這是實(shí)際非線性關(guān)系。靈敏度Sn=(C/Co)/x=1/(d0-x)當(dāng)x相對(duì)于do很小時(shí)可以近似為：do-x=do時(shí)，C/Co=x/do,這是理想的線性關(guān)系。理想情況下：Sn=1/d0非線性誤差：由上述可知，可以通過提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來改善電容式傳感器的性能。但是影響電容式傳感器的因素很多，溫度、電容電場(chǎng)邊緣效應(yīng)和寄生或分布電容等等都會(huì)對(duì)電容式傳感器產(chǎn)生影響。我們可以采取相應(yīng)的措施來減少這些影響，如增大初始電容和加裝等位環(huán)，靜電屏蔽，電纜驅(qū)動(dòng).圖1-4差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖圖1-3運(yùn)算放大器式電路原理圖電容式傳感器的運(yùn)放測(cè)量電路原理圖如圖1-3所示，圖

6、中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓；Uo是輸出信號(hào)電壓；2是虛地點(diǎn)。(傳感器為平板電容，Cx=£S/d)由運(yùn)算放大器工作原理可得CUo=idS此式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。電容式傳感器的應(yīng)用比較廣，主要用于測(cè)量位移、壓力、速度、介質(zhì)、濃度、物位等物理量。相應(yīng)地，產(chǎn)生了很多類型的電容式傳感器，如電容式位移傳感器、電容式壓力傳感器、電容式加速度傳感器、電容式液位傳感器等等?，F(xiàn)以電容壓力傳感器為例說明其應(yīng)用。如圖1-4中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容

7、量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。現(xiàn)在傳感器的應(yīng)用十分廣泛，其發(fā)展趨勢(shì)逐漸趨向固態(tài)化、集成化、多功能化、圖像化以及智能化。上述就是到目前為止，我對(duì)傳感器和電容式傳感器的認(rèn)識(shí)和了解。剛拿到傳感器課本時(shí)，我毫無概念；朋友問我“傳感器是什么”時(shí)，我也答不出，我學(xué)電子專業(yè)的，可這都不懂，尷尬死了?，F(xiàn)在我總算有點(diǎn)了解了，簡(jiǎn)單點(diǎn)說，傳感器就是我們獲取信息的其中一種途徑。具體點(diǎn)說，所謂傳感器，相當(dāng)于我們的五官，通過敏感元件感受和采集所需的外界信息，再經(jīng)傳感元件將原始信息按某種規(guī)則轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電量，供測(cè)量電路檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏秒娦盘?hào)，以達(dá)到檢測(cè)、控制的目的，為人類所服務(wù)。原來，傳感器就在我們身邊，我們每天都可能用到它（視頻遙控器、電飯煲、空調(diào)、電冰箱、人體感應(yīng)開關(guān)等等）。眾所周知,21世紀(jì)是信息技術(shù)的時(shí)代，而傳感技術(shù)又是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，缺之不可。傳感器現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、軍用科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能建筑和家用電器等領(lǐng)域。