傳感技術(shù)及應(yīng)用-電容式傳感器

傳感器技術(shù)及應(yīng)用主講人：丁明理儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科2012年春季學(xué)期（第二部分）個(gè)人簡(jiǎn)介教育背景1996.9～2000.7

哈工大自動(dòng)化測(cè)試與控制系學(xué)士學(xué)位2000.9～2005.7

哈工大自動(dòng)化測(cè)試與控制系博士學(xué)位（碩博連讀）2005.9～2008.9

哈工大控制科學(xué)與工程系博士后2009.2～2010.7

法國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)分析與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（LAAS-CNRS）訪問(wèn)學(xué)者工作經(jīng)歷2002.4～2004.6

哈工大 自動(dòng)化測(cè)試與控制系 助教2004.7～2006.12

哈工大 自動(dòng)化測(cè)試與控制系 講師2007.1～現(xiàn)在哈工大 自動(dòng)化測(cè)試與控制系 副教授 2007.4～現(xiàn)在 哈工大 自動(dòng)化測(cè)試與控制系 碩士生導(dǎo)師學(xué)術(shù)方向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制技術(shù)測(cè)控技術(shù)傳感器慣性測(cè)量技術(shù)承擔(dān)課題國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)黑龍江省自然科學(xué)基金航天橫向課題聯(lián)系方式

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辦公地點(diǎn)：電機(jī)樓30031E-mail:dingml@

dingmingli2006@課程主要內(nèi)容第四章電容式傳感器介紹電容傳感器工作原理及特性、測(cè)量電路、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用第五章磁電式傳感器

磁電感應(yīng)式：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用；霍爾元件：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用

第六章壓電式傳感器

介紹壓電效應(yīng)；壓電傳感器的等效電路；壓電傳感器的測(cè)量電路；壓電傳感器的應(yīng)用。第七章熱電式傳感器

重點(diǎn)介紹熱電阻傳感器；熱敏電阻；熱電偶傳感器；熱釋電紅外傳感器。第八章光電式傳感器

介紹光源；光電器件的原理、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用；光纖傳感器的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用；CCD、PSD的原理及應(yīng)用；光電碼盤的原理及應(yīng)用；光柵的原理及應(yīng)用；激光傳感器第九章超聲波傳感器

超聲波傳感器工作原理；超聲波換能器；超聲波傳感器的應(yīng)用。第十章集成溫度傳感器

集成溫度傳感器：AD590、LM35、DS1820的原理與編程。參考教材、資料何道清，《傳感器與傳感器技術(shù)》，科學(xué)出版社，2003年10月徐科軍，《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，2004年9月劉迎春等，《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》，國(guó)防工業(yè)出版社科技期刊：儀器儀表學(xué)報(bào)、傳感技術(shù)學(xué)報(bào)、計(jì)量學(xué)報(bào)、IEEE期刊、Sensors&Actuators等第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的測(cè)量裝置。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。§4-1電容式傳感器的工作原理工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器應(yīng)用范圍:位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量第四章電容式傳感器

兩平行極板組成的電容器,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為:+++δS

當(dāng)被測(cè)量δ、S或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。

分類示意圖

c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器一、變面積型電容傳感器baδΔx

設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為S，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△X，則面積S發(fā)生變化，電容量也改變。（主要用來(lái)測(cè)直線位移、角位移和尺寸等參數(shù)）第四章電容式傳感器線位移單組式差動(dòng)式

平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。

可見(jiàn)變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。①增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；②極板寬度a的大小影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大；③△X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線性變化。（因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器二、變介電常數(shù)型電容傳感器（主要測(cè)量厚度、液位、介質(zhì)的溫度和濕度等）xh2r2Rε0ε1類型1：

被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。類型2：第四章電容式傳感器δd面積S氣隙

當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：

d—運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（m）可見(jiàn)：①若厚度d保持不變，介電常數(shù)εr

改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；②若εr不變，可做成測(cè)厚傳感器δεS動(dòng)極板定極板

若極板間距減小△δ，則電容將增大△C。第四章電容式傳感器三、變極板間距型電容傳感器第四章電容式傳感器時(shí)，展開為級(jí)數(shù)形式因，忽略高次項(xiàng)

上式表明，在條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。第四章電容式傳感器①欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙δ，但受電容器擊穿電壓的限制；②非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。③為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。第四章電容式傳感器§4-2電容式傳感器的測(cè)量電路

測(cè)量線路是電容傳感器的一個(gè)重要組成部分，其主要作用為：①給電極提供一個(gè)合適的激勵(lì)源，以便在形成的電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)能量變換；②檢測(cè)出電場(chǎng)能量的變化，形成可供使用的電信號(hào)；③在可能條件下，實(shí)現(xiàn)傳感器特性的線性化處理與信號(hào)變換。第四章電容式傳感器電容傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；CP為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻。

低頻等效電路；高頻等效電路。第四章電容式傳感器一、交流電橋電路

將電容傳感器接入電橋的一個(gè)臂，構(gòu)成不平衡電橋。

為使橋路平衡，在四個(gè)橋臂上必須接入兩個(gè)電容（一個(gè)單極電容傳感器和一個(gè)固定電容，或接入差動(dòng)電容傳感器）。另外兩個(gè)橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個(gè)電阻、兩個(gè)電感或是兩個(gè)電容。當(dāng)橋臂上接入不同的阻抗元件時(shí)，電路的靈敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，輸出信號(hào)相移有0°、±90°、±180°。第四章電容式傳感器電路的主要特點(diǎn)： ①必須接成差動(dòng)形式使用； ②電橋的交流激勵(lì)源的幅值和頻率要穩(wěn)定； ③要求后續(xù)電路輸入阻抗無(wú)限大。第四章電容式傳感器二、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路

差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定的方波發(fā)生器，以電容變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比，由此引起平均直流分量的變化。第四章電容式傳感器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uoC2C1QQAGBFUr比較器U1第四章電容式傳感器U0平均值為零U0平均值不為零三、運(yùn)算放大器式電路

這種線路的最大特點(diǎn)是從原理上克服單個(gè)變極距型電容式傳感器的非線性，使輸出與輸入動(dòng)極板位移成線性關(guān)系。第四章電容式傳感器反相放大電路反饋元件是傳感器電容CxC是固定電容電源電壓u理想運(yùn)放將代入輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，從原理上保證了變極距型電容傳感器的線性。第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器§4-3影響電容式傳感器精度的因素

及提高精度的措施第四章電容式傳感器

電容傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金，近年來(lái)又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng)：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強(qiáng)輻射，強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境中工作。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：可動(dòng)部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好?？蓽y(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,具有平均效應(yīng)：非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)工件的偏心、振動(dòng)等參數(shù)時(shí)，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對(duì)測(cè)量的影響。5、耗能低第四章電容式傳感器缺點(diǎn):1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差：電容值一般為幾十到幾百皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對(duì)絕緣部分的要求較高（幾十兆歐以上）。2、寄生電容影響大：由于電容傳感器的初始電容值一般較小，而連接傳感器的引線電纜電容（1~2m導(dǎo)線可達(dá)到800pF），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的“寄生電容”卻較大。這些電容一般是隨機(jī)變化的，將使儀器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此，在設(shè)計(jì)和制作時(shí)要采取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。第四章電容式傳感器第四章電容式傳感器一、溫度對(duì)電容式傳感器的影響

環(huán)境溫度的改變將引起電容式變換器各零件幾何尺寸的改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，產(chǎn)生附加電容變化。這一點(diǎn)對(duì)于空間隙電容式傳感器來(lái)說(shuō)更顯重要，因?yàn)槌跏奸g隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對(duì)本來(lái)就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對(duì)變化，從而引起很大的特性溫度誤差。第四章電容式傳感器為減小這種誤差 ①一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來(lái)代替。 ②采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并在測(cè)量線路中對(duì)溫度誤差加以補(bǔ)償。

第四章電容式傳感器

溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響使傳感器電容改變，帶來(lái)溫度誤差。溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。這種溫度誤差可用后接的測(cè)量線路進(jìn)行一定的補(bǔ)償，而完全消除是困難的。第四章電容式傳感器二、漏電阻的影響（絕緣性能）

電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵(lì)電壓頻率較低時(shí)，在與測(cè)量線路配接時(shí)，當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與容抗相近，就必須考慮分路作用對(duì)系統(tǒng)總靈敏度的影響。這主要是采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)加以解決。第四章電容式傳感器三、邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響1、邊緣效應(yīng)

理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。①為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間隙。②在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。第四章電容式傳感器均勻電場(chǎng)等位環(huán)電極電極邊緣電場(chǎng)邊緣電場(chǎng)

原理：等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場(chǎng)基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)的外周不影響工作。2、寄生參量第四章電容式傳感器

一般電容傳感器電容值很小，如果激勵(lì)頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對(duì)傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會(huì)帶來(lái)很大的影響。①.增加原始電容值②.注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）③.將傳感器與電子線路的前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)（集成化）減小寄生電容的方法第四章電容式傳感器測(cè)量電路前置級(jí)+?1:1內(nèi)層屏蔽外層屏蔽Cx

在電容傳感器與測(cè)量線路前置極間采用雙層屏蔽電纜。這種接法使傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時(shí)放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。④.采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)等電位屏蔽法第四章電容式傳感器⑤.采用運(yùn)算放大器法所謂整體屏蔽是將整個(gè)電橋(包括電源、電纜等）統(tǒng)一屏蔽起來(lái)，其關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。u0與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容CP/（1+A）⑥.整體屏蔽四、防止和減小外界干擾第四章電容式傳感器

注意傳感器的接地和屏蔽增加原始電容值，降低容抗導(dǎo)線分布合理盡可能一點(diǎn)接地盡量采用差動(dòng)式電容傳感器一、電容式位移傳感器第四章電容式傳感器量程精度分辨力變極距型0.01~幾百微米0.01m0.001m變面積型零點(diǎn)幾~幾百毫米優(yōu)于0.5%0.01~0.001m§4-4電容式傳感器的應(yīng)用該傳感器是一種非接觸式的電容位移傳感器；兩個(gè)傳感器板形成一個(gè)平行板電容器；納米分辨率；零磁滯。應(yīng)用領(lǐng)域：壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等。特點(diǎn)：－量程20～1250μm；－分辨率<0.1nm；零磁滯；－線性最高0.02%；－頻帶可調(diào)：50～5000Hz；靈敏度可調(diào)；－真空兼容選項(xiàng)；第四章電容式傳感器英國(guó)超精密電容位移傳感器單極性ZCS1100和雙極性ZNXsensor超精密電容傳感器，可應(yīng)用：壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等。ZCS1100超精密電容位移傳感器特點(diǎn)：納米級(jí)分辨率；線性0.08%；靈敏度可調(diào)；

量程：240μm；

線性：0.08%；

分辨率：0.1nm

頻帶：35KHZ；第四章電容式傳感器總電容C=C1+C2，帶材厚度發(fā)生變化時(shí)，C變化，帶材的振動(dòng)不影響測(cè)量精度。第四章電容式傳感器二、電容式測(cè)厚儀第四章電容式傳感器測(cè)量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對(duì)接觸面無(wú)要求，總誤差較小。三、荷重傳感器（電容式電子秤）第四章電容式傳感器四、電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套第四章電容式傳感器電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。第四章電容式傳感器液位限位傳感器的設(shè)定

智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕第四章電容式傳感器智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈第四章電容式傳感器五、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。第四章電容式傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%第四章電容式傳感器硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）第四章電容式傳感器

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。第四章電容式傳感器加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊第四章電容式傳感器汽車氣囊的保護(hù)作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。第四章電容式傳感器利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置第四章電容式傳感器六、濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

第四章電容式傳感器濕敏電容外形吸水高分子薄膜第四章電容式傳感器濕敏電容模塊及傳感器外形第四章電容式傳感器濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型第四章電容式傳感器多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

第四章電容式傳感器七、電容式油量表

機(jī)械式油量表：

在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。第四章電容式傳感器電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。第四章電容式傳感器

該油量表可用于飛機(jī)