浅论电容式传感器.doc

柴油机测试技术作业浅论电容式传感器【摘要】随着电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。本文描述了电容式传感器的工作原理、结构形式、分类和应用的一些问题。【关键词】电容；传感器；差压Abstract： With the development of electronic technology, capacitive sensor existence solve many of the technical problem, make capacitive sensor not only widely used in accurate measurement of the displacement, thickness, Angle, vibration, etc, also used in measuring physical force, stress and pressure, flow, composition, liquid level, the parameters such as in the automatic detection and control system is also often used to as position signal generator. This paper describes the capacitive sensor to the working principle, structure form, classification and application and so on. Key words：capacitance; sensor; differential pressure1 电容式传感器的工作原理和结构形式11电容式传感器的工作原理电容式传感器是一个具有可变参量的电容器，将被测非电量变化成为电容量。多数情况下，电容式传感器是指以空气为介质的两个平行金属极板组成的可变电容器。S电容式传感器结构由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，则它的电容量可用下式表示 C= S/= 0r S/式中 S 极板相互遮盖面积（m2）； 两平行板间距离（m）； r 极板间介质的相对介电常数； 0 真空的介电常数（8.851012F/m）。由上式可见，在r、S、三个参量中，只要保持其中两个不变，改变其中的一个均可使电容量C改变，这就是电容式传感器的工作原理。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积型；改变极板间距离的变极距型；改变极板间介质的变介质型。2 电容式传感器的分类2.1 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器原理图当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量为C0 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量C0增大了C，则有 若d/d01时，1-(d/d0)21，则 此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 此时电容C变为 式中：g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/0g项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。 2.2 变面积电容式传感器变面积式电容传感器原理图被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 2.3变介电常数电容式传感器变介质型电容式传感器结构图变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为 式中：L0和b0极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度。 若电介质r1=1, 当L=0时，传感器初始电容C0=0rL0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 2.4差动式电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，以及克服电源电压和环境温度等因素对测量精度的影响，常在结构上采用对称配置的差动式电容传感器。差动结构的变间隙型电容传感器可见差动灵敏度提高一倍，减小了非线性误差。3电容式传感器的特点及影响因素、提高措施3.1电容式传感器的特点(1)结构简单性能稳定(2)阻抗高，功率小；。(3)动态响应好，灵敏度高，分辨力强：(4)没有由于振动引起的漂移；(5)闭试导线分布电容对测旦误差影响较大；(6)电容量的变化与极板间距离变化为非线性。3.2影响精度的因素（1）温度对电容结构尺寸的影响，将引起电容值的变化。（2）温度对电容的电介质的影响，将引起电容值的变化。（3）电容式传感的电容很小，容抗大，电容漏电流有较大的分流作用，将引起电容式传感灵敏度的下降。（4）电容边缘效应和寄生参数将引起电容式传感的非线性效应，并且使灵敏度下降。3.3 提高精度的措施（1）选用温度系数小和稳定的材料和电介质，以消除温度的影响。（2）增加原始电容值，以减小寄生电容和漏电的影响。（3）缩短传感器到测量电路前置级的距离，以减小寄生电容和提高寄生电容的稳定性。（4）采用驱动电缆法，以消除电缆电容效应（5）采用整体屏蔽法，以消除寄生参数效应。整体屏蔽法就是将整个传感器桥体，包括电源和电缆，用一个统一屏蔽保护起来。4 电容式传感器的应用4.1差动式电容压力、力传感器1弹性膜片 2凹玻璃圆片 3金属涂层 4输出端子 5空腔 6过滤器 7壳体当被测压力通过过滤器6进入空腔5时，金属弹性膜片1在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和两个镀金玻璃圆片2之间的电容量发生变化，由此可测得压力差。这种传感器分辨率很高，常用于气、液的压力或压差及液位和流量的测量。右图为AT3051DR电容差压变送器用于测量炉内压等微小差压信号，然后转变成420mA DC信号输出。AT3051DR也可与HART手操器相互通讯，通过它进行设定，监控等。 4.2电容测厚仪、振动位移测量仪1金属带材 2电容极板 3传动轮 4轧棍被测金属带材与其两侧电容极板构成两个电容C1和C2，把两电容极板连接起来，它们和带材间的电容为。当带材厚度发生变化时，将会导致两个电容器C1、C2的极距发生变化，从而使电容值也随之变化。把变化的电容送到转换电路，最后由仪表指示出金属带材变化的厚度。型号：ZNXsensor超精密电容位移传感器电容式位移传感器应用领域：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜 镜片微调，精密微位移测量等。4.3电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为qm处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（qx 处）。机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。4.4 电容式加速度传感器 差动式电容加速度传感器结构图使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气, 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 4.5 电容式指纹传感器传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。4.6电容物位开关产品名称:音叉式物位开关产品型号:LS-YC产品简介:LS-YC型音叉式液位限位开关是一种新型的液位限位开关。音叉由晶体激励产生振动，当音叉被液体浸没时振动频率发生变化，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量。音叉式液位限位开关又被称作“电气浮子”，凡使用浮球限位开关和由于结构、湍流、搅动、气泡、振动等原因不能使用浮球限位开关的场合均可使用“电气浮子”。 由于该液位限位开关无活动部件，因此无需维护和调整，是浮球限位开关的升级换代产品。5电容式传感器应用前景电容式传感器具有许多独特的特点，是当今传感器技术的重要发展方向之一，具有广阔的应用前景。其中在指纹传感器