電容式傳感器論文

1、電容式傳感器合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院電子信息工程13-3班聶建兆摘要：電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量，還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式1.1電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是一個具有可變參量的電容器，將被測非電量變化成為電容量。多數(shù)情況下，電容式傳感器是指以空氣為介質(zhì)的兩個平行金屬極板組成的可變電容器。由兩平行極板組成一個電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，則它的電容量可用下式表不SC=A?。?S/S?1

2、式中S極板相互遮蓋面積（m2）;匕=s兩平行板間距離（m；?r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；電容式傳感器結(jié)構(gòu)?0真空的介電常數(shù)（8.85X1012F/mi）o由式（7-1）可見，在？、S、S三個參量中，只要保持其中兩個不變，改變其中的一個均可使電容量C改變，這就是電容式傳感器的工作原理。所以電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板面積的變面積型；改變極板間距離的變極距型；改變極板間介質(zhì)的變介質(zhì)型。2電容式傳感器的分類2.1固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器結(jié)構(gòu)：fA動極，di；=二二二二="%固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的靈敏度：固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的非線性誤差:介電

3、常數(shù)提高，可以提高靈敏度因子，這時靈敏度得到提高，但非線性誤差也增加了，為了減小非線性誤差，也可以采用差動方式。2.2變面積電容式傳感器變面積電容式傳感器的非線性誤差:變面積電容式傳感器無非線性誤差，增加b,減小d可以提高靈敏度，a不能太小，否則邊緣效應(yīng)明顯。2.3變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器結(jié)構(gòu):3電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路Ad3.1運算放大器式電路電路UiC1C2Uo振3.3 調(diào)頻電路直放式調(diào)頻調(diào)頻振蕩JtH_限幅_鑒頻_放大_«外差式調(diào)頻本振調(diào)頻振蕩放大-變頻-放大-限幅-鑒頻-放大外差式調(diào)頻比直放式調(diào)頻性能優(yōu)越，其選擇性高、特性穩(wěn)定、抗干擾性強。調(diào)頻方式具有抗

4、干擾性強、特性穩(wěn)定、輸出電平高（伏特級）3.4 諧振電路電路特點：靈敏度局工作點難以確定工作范圍窄傳感器要離電路近。振蕩器要求穩(wěn)7E性局。3.5 二極管T型網(wǎng)絡(luò)電路REiIoE方波電源傳感器電容平衡電容負載電阻當Ei>0時:C1充電EitD1TC1TEi,；C2放電C2TR2TRfTC2,C2TEjTD1TRtR2TC2當Ei<0時:C2充電EiTD2TC2TEi,；Ci放電CiTRtRfTCi,CiTEiTD2TRtRtCiCi放電CiTRiTRfTCi和C2放電C2TR2TRfTC2形成電流正Io和負I0,10的平均值為兩者之差。平衡時：Ci=C2=-10=0=U0=0平衡時：

5、Ci-C2=I0-0=U0=0特點：Ei、Ci、C2、Rf有共同的地工作電平高，Di,D2都工作于線性區(qū)輸出電壓高輸出電流大，00。時，I0=1mAT”數(shù)量級上升時間小，Rf=ikC時，占=20%數(shù)量級。適合高速測量3.6 脈沖寬度調(diào)制電路電路Uf初值：Uc=Ud=0加電時假設(shè)：Ua=Ui,Ub=0，這時G充電，Uc不斷提高，C2不充電，Ud=0不變。不斷提高的Uc>Uf時，S觸發(fā)使Ua=0,Ub=Ui,這時G通過Di快速放電充電使Uc=0,而C2開始充電，Ud不斷提高。不斷提高的Ud>5時，R置位使Ub=0,Ua=Ui,這時C2通過D2快速放電充電使Ud=0,而G開始充電，Uc不

6、斷提高。輸出電壓脈沖寬度與G和C2充電時間常數(shù)有關(guān)，從而使得輸出電壓的平均值與Ci和C2的大小有關(guān)。設(shè)Ri=R2U0=uab=-B2UiC1C2變極板距離電谷時：u_u_d2_diUu0-uABddUi對于差動總?cè)荩?Ci=C2=C°,di=d0，d,d2=d0+Add.U0=Uabui變面積電容時："u。=uabAI-A2ui對于差動或容：2Ci-C2=C0,A-A0A,A=A0-，AA,u0=Uab=uiA04影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施4.1 影響精度的因素溫度對電容結(jié)構(gòu)尺寸的影響，將引起電容值的變化。溫度對電容的電介質(zhì)的影響，將引起電容值的變化。電容式

7、傳感的電容很小，容抗大，電容漏電流有較大的分流作用，將引起電容式傳感靈敏度的下降。電容邊緣效應(yīng)和寄生參數(shù)將引起電容式傳感的非線性效應(yīng)，并且使靈敏度下降。4.2 提高精度的措施選用溫度系數(shù)小和穩(wěn)定的材料和電介質(zhì)，以消除溫度的影響。增加原始電容值，以減小寄生電容和漏電的影響?？s短傳感器到測量電路前置級的距離，以減小寄生電容和提高寄生電容的穩(wěn)定性。采用驅(qū)動電纜法，以消除電纜電容效應(yīng)。采用整體屏蔽法，以消除寄生參數(shù)效應(yīng)。整體屏蔽法就是將整個傳感器橋體，包括電源和電纜，用一個統(tǒng)一屏蔽保護起來P104圖5-23。5電容式傳感器的應(yīng)用5.1 壓差式電容壓力傳感器構(gòu)成：膜片一一動極板，一般采用不銹鋼材料制作，

8、需要加預(yù)張力。玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。球面的作用是壓力過大時（過載）保護膜片，并改善系統(tǒng)的非線性。后續(xù)測量電路常使用差動脈沖調(diào)寬電路。由壓差式電容壓力傳感器工作過程可得：（C-C2）/（C+C2）=K（Ph-Pl）式中C1C2電容（F）;K一一常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)；R一一兩球室承受的低壓（Pa）；P-兩球室承受的身壓（Pa）。5.2 電容測厚儀電容式測厚儀是用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度的在線檢測儀器。在被測帶材的上下兩側(cè)各設(shè)置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，兩塊用導(dǎo)線連接作為傳感器的一個電極板。帶材本身則是電容傳感器的另一個電極板。當帶材在軋制過程中的厚度

9、發(fā)生變化時，引1KHz音頻信號發(fā)生器起電容的變化。通過測量電路與指示儀表可顯示帶材的厚度。ZL1音頻放大器口整流差動放大器HD-220V穩(wěn)壓電源0電容式測厚儀原理框圖5.3 電容傳聲器駐極體電容傳聲器大膜片電容傳聲器傳聲器(Microphone)即話筒，音譯作麥克風，目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。5.4 電容式指紋傳感器傳感器陣列的每一點是一個金屬電極，充當電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對應(yīng)點則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在)，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容值不同，測量并記錄各點的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。6應(yīng)用前景電容式傳感器具有許多獨特的特點，是當今傳感器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。其中在指紋傳感器上的應(yīng)用更是多種多樣，如：西門子推出的“IDMouse”指紋鼠標、98年西門子推出的SL10指紋手機