電容式傳感器

機(jī)械工程學(xué)院

09機(jī)電3班

郭士豪0910100633電容式傳感器傳感器，TransducerorSensor，是一種能感受規(guī)定的被測量（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（與之有對應(yīng)的關(guān)系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置；它由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路。傳感器中的敏感元件感受被測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)測量電路轉(zhuǎn)換為有用電信號。即使這么說，還是覺得它很抽象吧。形象點說，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算機(jī)進(jìn)行處理，產(chǎn)生并發(fā)出各種控制信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)智能化和自動化。而傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，是信息技術(shù)、自動化技術(shù)和工程技術(shù)人員知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。傳感器的技術(shù)特點是：內(nèi)容范圍廣泛且離散；知識密集程度高、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，按被測量分類，按被測量的性質(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，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應(yīng)用于位移、加速度、角度和振動等機(jī)械量的精密測量；現(xiàn)在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點是：測量范圍大；靈敏度高；動態(tài)響應(yīng)好；小功率、高阻抗；機(jī)械損失??；結(jié)構(gòu)簡單，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；按被測量分為位移、壓力、應(yīng)力、濕度、溫度等類型。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電容式傳感器結(jié)構(gòu)表小電容式傳感器結(jié)構(gòu)C=eS/6=8qeS/6式中S 極板相互遮蓋面積（m2）；6——兩平行板間距離（m）；冬——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù);

真空的介電常數(shù)(8.85X10-i2真空的介電常數(shù)(8.85X10-i2F/m)。由式(7-1)可見，在￡r、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動極定極Adi2?動極定極Adi2固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的靈敏度:， 靈敏度因子：固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器的非線性誤差：介電常數(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靈敏度：變面積電容式傳感器的非線性誤差：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，1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):??變介電常數(shù)電容式傳感器的靈敏度:靈敏度因子：?變介電常數(shù)電容式傳感器的非線性誤差:非線性因子：3電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路3.1運(yùn)算放大器式電路?電路：3.23.2電橋電路?電路：cffrlirL〒C2。濾波振蕩,UcffrlirL〒C2。濾波振蕩,U3.3調(diào)頻電路?直放式調(diào)頻調(diào)頻振蕩 限幅~~鑒頻~~放大?外差式調(diào)頻?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(qiáng)。?調(diào)頻方式具有抗干擾性強(qiáng)、特性穩(wěn)定、輸出電平高（伏特級）3.4諧振電路?電路UU0?特點：?靈敏度高?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)定性高。3.5二極管T型網(wǎng)絡(luò)?電路E0方波電源傳感器電容平衡電容負(fù)載電阻E0方波電源傳感器電容平衡電容負(fù)載電阻?當(dāng)E>0時：C充電E—D1—C1—E，；C放電C一R一R一C，C—E—D—R—R—CTOC\o"1-5"\h\z?當(dāng)E<0時：2 'C充電E—D2—C2—E，；C放電C—R—R—C，C—E—D—R—R—C?C放電C—R—R—C和C放電C—R—R—C形成電流正I1 11 f 1 2 2 2 f 2 0和負(fù)10,10的平均值為兩者之差。?平衡時：C=CnI=0nU=0?平衡時：C豐CnI尹0nU尹0?特點：1 2 0 0?E、C、C、R有共同的地?工作電平高：D,D都工作于線性區(qū)?輸出電壓高?輸出電流大，R=1~100。時，10=1mA~1HA數(shù)量級?上升時間小，R=1k。時，△t=20HS數(shù)量級。適合高速測量。f3.6脈沖寬度調(diào)制電路電路雙穩(wěn)觸發(fā)雙穩(wěn)觸發(fā)器j—\

R2初值：u=U=0加電時假設(shè)：U=U，電，U=0不變。不斷提高的初值：u=U=0加電時假設(shè)：U=U，電，U=0不變。不斷提高的U>U時!速放電充電使c=\，不斷提高的U>UI速放電充電使5U=f0，?????TOC\o"1-5"\h\zS觸發(fā)使U=0，U=U，這時C通過D.快而c2開始充電，ud不斷提高。 1 1時，R置位使U=0，U=U，這時C通過D快而C開始充電，U不斷提高。 2 2D 1 C12均值與C和C的大小有關(guān)。設(shè)R=12均值與C和C的大小有關(guān)。設(shè)R=R212?變極板距離電容時:AdU

d1

0U0=UAB變面積電容時:U0=—C對于差動電君AdU

d1

0U0=UAB變面積電容時:U=U=A1-A2uAA一UA100ABAIA1對于差動電容：C1=cAA一UA104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。?縮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(hù)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，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(hù)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。電容式壓爰傳電容式壓爰傳由壓差式電容壓力傳感器工作過程可得:（C-C）/（C+C）=K（P-P）1 2 1 2 HL式中qC2——電容（F）；K '——常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)；Ph ——兩球室承受的低壓（Pa）；Pl ——兩球室承受的高壓（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(dāng)帶材在軋制過程中的厚度發(fā)生變化時，引起電容的變化。通過測量電路與指示儀表可顯示帶材的厚度。電容式測厚儀原理框圖5.3電容傳聲器

電容式測厚儀原理框圖5.3電容傳聲器大膜片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(fēng)，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(dāng)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(dāng)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(biāo)、98年西門子推出的SL10指紋手機(jī)、手形識別系統(tǒng)、面部識別系統(tǒng)、人體靜脈識別系統(tǒng)和指紋保險箱等等。隨著科技的發(fā)展，電容式傳感器在各種領(lǐng)域上的應(yīng)用將越來越廣泛。電容式傳感器優(yōu)缺點電容器傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載