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(cè)量技術(shù)有了很大的進(jìn)展，它不但廣泛應(yīng)于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，而且，還逐步擴(kuò)大應(yīng)用與壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面等測(cè)量。由于電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，分辨率高，可非接觸量等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以電容式傳感器在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并且在市場(chǎng)中不斷地發(fā)展。70年代末以來(lái),隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x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(diǎn)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?。關(guān)鍵字：電容式傳感器、應(yīng)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(kāi)的兩個(gè)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(yīng),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(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（1）中的S、d或發(fā)生變化時(shí),電容量C也隨之變化.如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)量電路進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓!電流或頻率輸出,這樣就實(shí)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(dāng)傳感器的和S不變,初始極距為do時(shí),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(shí),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(cè)物帶動(dòng)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(cè)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(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)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(dāng)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，兩極板對(duì)齊面積變?yōu)镾=(a-x)b，則電容量變?yōu)橐虼?x變化時(shí),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(cè)物帶動(dòng)上極板相對(duì)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(cè)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(dòng),極距d為常數(shù),相對(duì)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(gè)電容并聯(lián).則電容器容量變?yōu)槭街?lo和a表示極板的長(zhǎng)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(zhǎng)度.兩種介質(zhì)r1、r2確定以后.變量只有l(wèi),因此,l變化時(shí),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(cè)量電路由于體積或測(cè)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(cè)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(gè)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(cè)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(yuǎn)大于系統(tǒng)的電容變化值10。與被測(cè)物理量無(wú)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(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜。分立元件過(guò)多也將影響電容的測(cè)量精度。微小電容測(cè)量電路必須滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散性等要求。測(cè)量?jī)x器應(yīng)該有飛法（fF）數(shù)量級(jí)的分辨率。1.調(diào)頻電路這種電路的優(yōu)點(diǎn)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(hào)大，可獲得伏特級(jí)的直流信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)連接，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)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(xiàn)性大，需誤差補(bǔ)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(cè)量；寄生電容影響小，簡(jiǎn)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(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜9。此電路從原理上沒(méi)有消除雜散電容影響的問(wèn)題，為此采取屏蔽電纜等措施，效果不一定理想。3.運(yùn)算放大器電路該電路的最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線(xiàn)性，是電容式傳感器比較理想的測(cè)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(diǎn)：靈敏性好，但工作點(diǎn)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(cè)量；寄生電容影響小，簡(jiǎn)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(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜9。此電路從原理上沒(méi)有消除雜散電容影響的問(wèn)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(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線(xiàn)性特性。其優(yōu)點(diǎn)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(duì)元件無(wú)線(xiàn)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(duì)輸出矩形波的要求也不高；電路抗干擾性能較強(qiáng)，不僅適于靜態(tài)測(cè)量，也適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，并有較大的動(dòng)態(tài)工作范圍。此電路對(duì)直流電源電壓穩(wěn)定性

12、及電路對(duì)稱(chēng)性有較高要求。三應(yīng)用現(xiàn)狀1 電容式位移傳感器電容式位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,用來(lái)測(cè)量各種導(dǎo)電材料的間隙、長(zhǎng)度、尺寸或位置、振動(dòng)位移等。CapaNCD(非接觸電容位移傳感器)測(cè)量原理的基礎(chǔ)在于理想平板電容的構(gòu)成,兩個(gè)平板電極由傳感器和相對(duì)應(yīng)的被測(cè)體組成,當(dāng)恒定的交流電加在傳感器電容上時(shí),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(gè)可設(shè)置的補(bǔ)償電壓疊加,經(jīng)放大,作為模擬信號(hào)輸出。capaNCDT610是一個(gè)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(hào)的前置器組成,用戶(hù)可以在現(xiàn)場(chǎng)用二點(diǎn)線(xiàn)性化方法校準(zhǔn)。這種傳感器的特點(diǎn)是工作時(shí)無(wú)磨損,免維修、對(duì)被

13、測(cè)體沒(méi)有作用力、具有高的零點(diǎn)穩(wěn)定性和精度、與被測(cè)體導(dǎo)電性能以及導(dǎo)電性能變化無(wú)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(cè)量范圍還可以擴(kuò)大23倍。72.2 電容式物位傳感器電容式物位傳感器有兩個(gè)導(dǎo)電極板(通常把容器壁作為一個(gè)電極),由于電極間是氣體、液體或固體而導(dǎo)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(xiàn)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(jī)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整靈敏度,并具有自診斷功能,同時(shí)能夠檢測(cè)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(dòng)報(bào)警,實(shí)現(xiàn)高可靠性的信息傳遞。由于電

14、容式傳感器無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分,且敏感元件簡(jiǎn)單,操作方便,是目前應(yīng)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(gè)人身份的確定和權(quán)限的認(rèn)定是人類(lèi)社會(huì)生活的一個(gè)重要環(huán)節(jié),尤其隨著信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái),人們對(duì)安全性的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法在安全性、可靠性方面的不足越來(lái)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(duì)人體不變的生物特征如指紋進(jìn)行識(shí)別,從而識(shí)別人的身份,可靠性大大提高,廣泛應(yīng)用于養(yǎng)老金領(lǐng)取、人事工資管理、銀行柜員身份確認(rèn)等很多場(chǎng)合。目前市場(chǎng)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(jìn)行可靠的觸摸;第二種則需要用手指在傳感器表面擦過(guò),傳感器會(huì)采集一套

15、特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析和認(rèn)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(shí)電容量會(huì)有所增加,從而通過(guò)檢測(cè)增加的電容來(lái)進(jìn)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(yīng)用。5四、在具體工程中的應(yīng)用1.PT800型壓力變送器 PT系列產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，內(nèi)置陶瓷電容式傳感器。可以自由選配模擬、數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)顯示表頭。有多種過(guò)程連接件，可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)零點(diǎn)、滿(mǎn)量程。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)中對(duì)液體、氣體和蒸汽的測(cè)量。22.電容式觸摸屏 目前，電容式觸摸屏已經(jīng)逐漸廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、便攜式產(chǎn)品領(lǐng)域。從理論上說(shuō)，一根走線(xiàn)、間隔、另一根走線(xiàn)，這就是組成一個(gè)電容傳感器的全部所需，直接在這些走線(xiàn)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(dāng)手指或某物體或人接近或者碰觸到傳感器時(shí)，電容傳感器會(huì)檢測(cè)(或稱(chēng)感測(cè))到電容值的變化如下圖標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至操作控制室，供二次儀表或計(jì)算機(jī)裝置進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制。其良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式，可適用于高壓、強(qiáng)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(cè)，可廣泛應(yīng)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(chǎng)所的液位測(cè)量。4五、市場(chǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器的點(diǎn)不斷地被克服,應(yīng)用也越來(lái)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(jìn)的數(shù)字式測(cè)量系統(tǒng)。將其測(cè)量部件技術(shù)與微處理器的計(jì)算功能結(jié)合為一體,使得測(cè)量?jī)x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(biāo)、實(shí)際測(cè)量準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)的傳感器提高了很多。總之,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器的形式將會(huì)多種多樣,其形式應(yīng)以非接觸式為研制重點(diǎn)。其發(fā)展方向是通過(guò)廣泛應(yīng)用微機(jī)等高新電子技術(shù)來(lái)獲得全面性能的進(jìn)一步提高,同時(shí)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(yīng)用中的注意事項(xiàng)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(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響感器的輸出特性，甚至?xí)蜎](méi)有用信號(hào)而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。2克服邊緣效應(yīng)的影響實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距d之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略；邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線(xiàn)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(chǎng)，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(dòng)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(cè)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(duì)被測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)尺寸和對(duì)介質(zhì)的影響兩方面。七、結(jié)束語(yǔ) 當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化