新型傳感技術(shù)及應(yīng)用 課件 第五部分：典型傳感器-電容式傳感器

新型傳感技術(shù)及應(yīng)用第五部分：典型傳感器（4）-電容式傳感器主要內(nèi)容第一部分：基礎(chǔ)知識(shí)第二部分：傳感器的特性第三部分：敏感結(jié)構(gòu)的材料與工藝第四部分：敏感結(jié)構(gòu)的建模第五部分：典型傳感器

第六部分：傳感器的典型應(yīng)用2

（4）-電容式傳感器3第五部分思考題（4）發(fā)表在MOOC討論區(qū)里1.針對(duì)右圖傳感器結(jié)構(gòu)，簡述工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)，畫出方框圖；分析影響測量因素及可采取的補(bǔ)償措施2.左下圖所示三軸加速度傳感器，可否實(shí)現(xiàn)較大差異的靈敏度？為什么？3.右下圖所示的角速度傳感器，可否實(shí)現(xiàn)雙軸角速度的測量？如何實(shí)現(xiàn)？

45.4.1電容式敏感元件及特性5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題51.基本原理

電容量與構(gòu)成電容元件的電極結(jié)構(gòu)與參數(shù)、電極間介電常數(shù)有關(guān)通過間隙δ、面積S

和介質(zhì)ε改變C，有變間隙、變面積和變介質(zhì)三類電容式敏感元件兩種基本敏感結(jié)構(gòu)：平行板和圓柱同軸；變?chǔ)?，可測量線位移(小到0.01μm)；變S，可測量角位移(小到1”

)或較大線位移；變?chǔ)牛瑴y量介質(zhì)物理特性，如濕度、密度等2.主要特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測量、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可在惡劣環(huán)境下工作等；缺點(diǎn)：高阻抗輸出、受干擾影響大、易受電磁干擾、穩(wěn)定性稍差、介電常數(shù)受溫度影響大、有靜電吸力等5.4.1電容式敏感元件及特性6圖為平行極板變間隙電容式敏感元件；平行極板變間隙電容式敏感元件不考慮邊緣效應(yīng)，特性方程→

C

與δ

成反比；δ減小Δδ，電容增量和相對(duì)增量分別為

→非線性明顯為改善非線性，用差動(dòng)方式，如圖兩個(gè)電容，一增一減；結(jié)合變換電路，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償變間隙差動(dòng)電容式敏感元件5.4.1電容式敏感元件及特性7圖為平行極板變面積電容式敏感元件不考慮邊緣效應(yīng)，特性方程平行極板變面積電容式敏感元件→

ΔC與位移變化量Δx成正比；→

增大b或減小δ，靈敏度增大；→

a

不影響靈敏度；但影響邊緣效應(yīng)圖為圓筒型變“面積”電容式敏感元件；被測量為物位

x，反映介電常數(shù)ε1部分的面積；不考慮邊緣效應(yīng)，特性方程圓筒型變“面積”電容式敏感元件→

△C與物位x成正比5.4.1電容式敏感元件及特性8介質(zhì)厚度d保持不變，相對(duì)介電常數(shù)εr

受溫度或濕度影響，引起電容變化；圖為一種變介電常數(shù)電容式敏感元件結(jié)構(gòu)示意；一些高分子陶瓷材料，介電常數(shù)與環(huán)境溫度、絕對(duì)濕度等有確定函數(shù)關(guān)系；變介電常數(shù)電容式敏感元件→

依上述原理制成溫度傳感器或濕度傳感器5.4.1電容式敏感元件及特性9圖為電容式敏感元件等效電路等效電容電容式敏感元件等效電路高頻參數(shù)：導(dǎo)線電阻、極板電阻及導(dǎo)線間動(dòng)態(tài)電感；電阻可忽略低頻參數(shù)：電容低頻損耗，可忽略→

等效電容相對(duì)變化量大于電容相對(duì)變化量進(jìn)一步得5.4.1電容式敏感元件及特性5.4.1電容式敏感元件及特性5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題111.運(yùn)算放大器式電路對(duì)理想運(yùn)算放大器，開環(huán)增益足夠大，輸入阻抗足夠高；輸出為對(duì)變間隙δ

電容式敏感元件運(yùn)算放大器式電路→

輸出電壓與δ

成正比，解決了單個(gè)變間隙電容式敏感元件的非線性問題；特別適合微結(jié)構(gòu)傳感器5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路122.交流電橋原理電路平衡條件交流電橋電路→

交流電橋平衡條件遠(yuǎn)比直流電橋復(fù)雜，既有幅值要求，又有相角要求滿足，有5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路133.變壓器式電橋電路C1，C2

可差動(dòng)組合：被測量變化，一增一減；或一受感電容，一固定電容；變壓器式電橋電路變壓器式電橋等效電路Zf為放大器輸入阻抗，輸出為→

平衡條件：→

初始平衡：C1=C2，輸出為零討論典型應(yīng)用情況：對(duì)圖示平板式差動(dòng)電容元件→

電橋輸出：C1，C2

如圖差動(dòng)組合Zf=Rf→∞，輸出為→

經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波，得輸出信號(hào)大小和方向5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.4.1電容式敏感元件及特性5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題151.結(jié)構(gòu)原理

電容式壓差傳感器原理結(jié)構(gòu)圖為一種典型電容式差壓傳感器原理結(jié)構(gòu)；上、下兩隔離膜片與圓平膜片彈性敏感元件之間充硅油；膜片是電容變換元件活動(dòng)極板；p2-p1→膜片法向位移→

C1、C2；

檢測變換元件電容(變化量)實(shí)現(xiàn)壓力測量2.特性方程壓力差p2-p1引起膜片法向位移Cup與Cdown

為差動(dòng)電容，可選前面相關(guān)測量電路；提高靈敏度，可增大膜片法向位移；但影響穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性；要綜合考慮對(duì)稱的上、下球面電極與膜片活動(dòng)電極之間電容量分別為5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（壓力）16硅電容式集成壓力傳感器示意圖p核心部件是兩個(gè)電容：一個(gè)敏感壓力的電容Cp，位于感壓硅膜片上；一個(gè)固定參考電容Cref，位于壓力敏感區(qū)之外；感壓方形硅膜片采用化學(xué)腐蝕法制作在硅芯片上，硅芯片上、下兩側(cè)用靜電鍵合技術(shù)分別與硼硅酸玻璃固接在一起，形成感壓電容Cp和參考電容Cref敏感結(jié)構(gòu)工作機(jī)理特性方程應(yīng)用特點(diǎn)5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（硅壓力）17敏感結(jié)構(gòu)工作機(jī)理特性方程應(yīng)用特點(diǎn)集成化傳感器；差動(dòng)檢測方案，測量電路對(duì)雜散電容和環(huán)境溫度變化不敏感，但對(duì)過載、隨機(jī)振動(dòng)干擾的抑止作用較小硅電容式集成壓力傳感器示意圖p5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（硅壓力）18電容式加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)圖示為電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)；彈簧片支承的敏感質(zhì)量塊為差動(dòng)電容器的活動(dòng)極板，以空氣為阻尼；傳感器特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍較寬；測量范圍較大；靈敏度較低5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（加速度）19圖為一種差動(dòng)輸出的硅電容式單軸加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖；傳感器敏感沿連接單元主軸方向的加速度，使連接單元產(chǎn)生與加速度方向相反的慣性力；慣性力使敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，引起活動(dòng)電極移動(dòng)，C1，C2

一增一減，形成差動(dòng)輸出；折疊梁橫向（寬度與長度方向）剛度非常大，故該結(jié)構(gòu)不會(huì)敏感與所測加速度正交的加速度；將兩個(gè)或三個(gè)該敏感結(jié)構(gòu)組合在一起，可以構(gòu)成微機(jī)械雙軸或三軸加速度傳感器1.單軸加速度傳感器硅電容式單軸加速度傳感器5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（硅加速度）20圖為一種差動(dòng)輸出的硅電容式單軸加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖；傳感器采用集成電路加工技術(shù)，將敏感元件及信號(hào)調(diào)理電路集成在一塊硅片上；傳感器由敏感質(zhì)量塊、力或力矩發(fā)生器、位移傳感器、伺服電路（信號(hào)的處理與放大）和輸出電路等五部分組成；右下圖為一具有差動(dòng)輸出的硅電容式單軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；差動(dòng)電容單元采用交流電橋，輸出與兩個(gè)檢測電容差值成正比，該信號(hào)經(jīng)緩沖放大和同步解調(diào)，反饋給加力電極，產(chǎn)生靜電反饋力，使得質(zhì)量桿返回零位（中間位置）2.微機(jī)械平衡式伺服加速度傳感器（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）質(zhì)量桿的運(yùn)動(dòng)

典型的微機(jī)械加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖一種伺服加速度傳感器系統(tǒng)框圖5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（力平衡）21下圖為該傳感器伺服原理電路；傳感器輸出與兩個(gè)檢測電容差值成正比的信號(hào)，經(jīng)處理后反饋給加力電極產(chǎn)生靜電反饋力；靜電反饋力與慣性力平衡時(shí)，質(zhì)量桿處中間位置2.微機(jī)械平衡式伺服加速度傳感器（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）質(zhì)量桿的運(yùn)動(dòng)

典型的微機(jī)械加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖一種伺服加速度傳感器系統(tǒng)框圖典型的微機(jī)械加速度傳感器的伺服電路原理圖5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（力平衡）22圖示為一硅微機(jī)械三軸加速度傳感器；四個(gè)敏感質(zhì)量塊、四個(gè)獨(dú)立信號(hào)讀出電極和四個(gè)參考電極；敏感結(jié)構(gòu)巧妙利用敏感梁在其厚度方向具有非常小的剛度感受垂直于梁厚度方向加速度，在其它方向剛度相對(duì)很大不能敏感加速度的結(jié)構(gòu)特征；基于敏感結(jié)構(gòu)特征，三個(gè)加速度分量為三軸加速度檢測原理的頂視圖和橫截面視圖3.三軸加速度傳感器5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（三軸加速度）23圖A為傳感器橫截面示意圖，圖B給出敏感結(jié)構(gòu)總體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系之間的關(guān)系；基于敏感結(jié)構(gòu)特征，三個(gè)加速度分量為三軸加速度檢測原理的頂視圖和橫截面視圖3.三軸加速度傳感器圖B總體坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系間關(guān)系圖A傳感器的橫截面示意圖5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（三軸加速度）24硅電容式微機(jī)械陀螺示意圖1.解耦敏感結(jié)構(gòu)圖為一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱并具有解耦特性的微機(jī)械陀螺原理示意圖；敏感結(jié)構(gòu)在最外邊四個(gè)角設(shè)置支點(diǎn)“錨”，通過梁將驅(qū)動(dòng)電極和敏感電極連在一起兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)固有振動(dòng)相不影響，避免耦合2.工作原理驅(qū)動(dòng)電極使敏感質(zhì)量塊沿y軸產(chǎn)生固有振動(dòng)；傳感器繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起科氏效應(yīng)，敏感質(zhì)量塊產(chǎn)生沿x軸檢測振動(dòng)，幅度與角速度成比例；測量該檢測振動(dòng)幅值解算被測角速度5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例（陀螺）5.4.1電容式敏感元件及特性5.4.2電容式變換元件的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路5.4.3電容式傳感器的典型實(shí)例5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題26溫度變化引起傳感器各組成零件幾何參數(shù)變化，產(chǎn)生附加電容，引起測量誤差；溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響簡要討論圖示一種電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)；

溫度t0，固定極板厚h0，絕緣件厚b0，膜片至絕緣底部間殼體長a0；若它們線膨脹系數(shù)分別為αh，αb，αa；則極板間隙δ0和溫度變化△t引起的變化量分別為溫差△t引起電容相對(duì)變化5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題（溫度）27溫度變化引起介質(zhì)介電常數(shù)變化，使敏感結(jié)構(gòu)電容量改變，產(chǎn)生溫度誤差；典型實(shí)例：電容式液位傳感器

如圓筒形電容式傳感器，液面高度x，△t帶來電容變化為測量煤油，其介電常數(shù)溫度系數(shù)約0.07％／℃；溫度變化100℃(-40～＋60℃)，將帶來約7％變化；煤油介電常數(shù)隨溫度升高近似線性減小5.4.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題（溫度）28電容式敏感元件電容量為幾pF～幾百pF；若電源頻率較低，傳感器容抗就高達(dá)幾MΩ～幾百M(fèi)Ω；故應(yīng)解決好絕緣問題；絕緣材料：高絕緣電阻、高表面電阻、低吸潮性、低膨脹系數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定；如玻璃、石英、陶瓷和尼龍等；為防止水汽進(jìn)入殼體降低絕緣電阻，應(yīng)密封表殼；此外，采用高的電源頻率(～數(shù)MHz)