project1_电容式传感器.doc

HEFEI UNIVERSITY系别 电子信息与电气工程系 班 级 自 动 化 姓名 学 号 完成 时间 2011 / 12 / 30 电容式传感器摘要：电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器，它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的发展，特别是集成电路的应用，这些缺点逐渐得到了克服，促进了电容式传感器的广泛应用【1】。关键词：电容式传感器 传感技术MS9000惯性加速度传感器 压力传感器 CPS120正文：传感器，是一种能感受规定的被测量（如物理量、化学量、生物量等）并按一定规律转换成有用（与之有对应的关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置；它由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器中的敏感元件感受被测量并按照某种确定的关系将之转换为电量的其它量，再由转换元件转换为电量，然后经测量电路转换为有用电信号。形象点说，传感器相当如人的五官（眼、耳、口、鼻、舌）和皮肤，采集各种信息并送入计算机进行处理，产生并发出各种控制信号到执行机构，从而实现智能化和自动化。而传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是信息技术、自动化技术和工程技术人员知识结构的重要组成部分【2】。xMabdN图1-1电容式传感器，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量；现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：测量范围大；灵敏度高；动态响应好；小功率、高阻抗；机械损失小；结构简单，适应性强；但寄生电容影响大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。 电容式传感器的分类也是多种多样的，按工作原理可分为变间隙式（变极距型）、变面积式、变介电常数式（变介质型）；按极板结构分为平板式和圆柱式；按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型【3】。现在以平板电容器为例来说明其工作原理。如图1-1所示，其电容为：当极板间距减小d（令：d=x）后的电容为:C1 = S / (do x) C / Co = (C1-C0) / C0 = x / (do x ) 这是实际非线性关系。灵敏度K= (C / Co) /x=1/(d0-x ) 当 x 相对于 do 很小时可以近似为 : do x do 时， C / Co = x / do ，这是理想的线性关系。理想情况下：K =1/d0非线性误差：由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能【a】。1国内外研究现象：随着世界工业的发展，人们对测量和定位的精度提出越来越高的要求，各国工业研究部门和计量测试部门纷纷投入大量的资金和人力，致力于更高精度的仪器产品的研究，其中研究非接触、大量程、高精度的测量系统是其主流发展方向之一。电容测微技术作为非接触式测量的主要手段，其大测量范围、纳米级分辨率、高测量精度等优点得到进一步的发展【b】。电容式因具有如下一些特点而受到重视：很高的灵敏度和测量精度;良好的稳定性;温度漂移小;功耗极低;良好的过载保护能力;便于利用静电力进行自检。电容式传感器的应用广泛，如：电容式加速度传感器、电容式压力传感器、电容式位移传感器等【c】。耐威科技作为瑞士Colibrys公司系列加速度传感器中国地区代理,Colibrys的MS9000惯性加速度传感器是一种新的超小型产品，适用于恶劣的使用环境和MS9000 电容式加速度传感器耐用度要求极高的应用领域。这种换代产品采用了LCC20(8.9mm x 8.9mm)陶瓷封装，具有从2g到250g广泛的加速度测量范围。该传感器可在较大的温度范围应用并且全使用寿命器件零位稳定保证在几mg以内。Colibrys MS9000系列是一个电容式MEMS加速度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿值的微控制器以及一个温度传感器等元件组成。该产品是一个低功耗的、校准的、功能强大和性能稳定的产品，其电子配置中带有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装置。产品特点：LCC封装；测量范围可定制；优异的偏差稳定性；低模拟电压输出；高抗冲击性能；集成温度传感器；过电保护。应用领域：（1）惯性测量：航天；航空与制导；（2）倾斜测量：运输；仪器仪表；钻探；（3）振动测量：地震测量；数据记录仪【d】。美国Consensic 公司推出革命性新型微机电（MEMS）智能电容式压力传感器CPS120，是全世界唯一一家数字式MEMS电容式压力传感器的厂商。CPS120智能压力传感器基于系统级封装解决方案（SIP），包含超小型电容式MEMS绝对压力传感单元，同时集成智能高精度数字电路（ASIC）和温度传感器。相比其他压力传感器厂商传统的压阻式（PRT）绝对压力传感器，电容式压力传感器可以提供更高的精度、更低的功耗、更好的稳定性和一致性、以及工作在极端温度、湿度环境下的超强能力【e】。2 应用分析：CPS120智能MEMS电容式压力传感器: CPS120智能MEMS电容式压力传感器测量范围为30-120kPa，工作温度范围是-40oC85oC, 并提供全温度范围的温度补偿、校准后的绝对压力输出，与其他传统的压力传感器相比CPS120 内部的ASIC增加了DSP单元，用户无需再提取EEPROM中的任何参数，而是直接输出经过温度补偿过的压力信号，减少了对外部MCU资源的占用。在对数字式I2C和SPI总线接口方便用户直接从传感器内部寄存器中读取高精度的压力和温度值。CPS120 高稳定性的14位高精度压力输出值提供0.1hPa分辨率，小于1.5hPa的绝对精度，支持30cm海拔高度变化分辨率；同时温度输出精度也小于1oC。CPS120智能MEMS电容式压力传感器高精度的压力和温度输出性能，是测量气压和高度应用的绝佳选择。非常方便的用在天气预报基站、小型天气预报设备中。同时，通过简单的算法可以精确的计算出某地的海拔高度, 海拔高度测量范围可达万米高空；可以用于GPS、运动手表等设备中测量大气压和高度；提供更精准的导航和移动位置服务。例如，跳伞、滑翔、登山运动中的大气压力测量和高度显示，3D-GPS的海拔高度辅助显示，高层楼宇的楼层定位等等。CPS120智能MEMS电容压力传感器拥有极小的体积，为3mm5mm1.2mm的金属盖LGA封装。该封装可以实现1-2米的结构性防水【f】。CPS120智能MEMS电容压力传感器可以提供不同的工作模式：普通模式和休眠模式。休眠模式下整个传感器的功耗低于1uA；普通模式下亦可以选择不同的采样输出频率。14bit高精度压力值转换输出时间只需18.5ms，高速模式下10bit精度压力值输出转换时间小于5ms。CPS120以其小尺寸、低功耗的特点能充分满足在以电池供电及便携式的产品中的应用, 如GPS、运动手表、航模、智能手机、平板电脑以及其他智能手持设备. 同时,其高速转换等特点也满足了这些设备的智能化程度、拓展了的应用范围。除了面向天气预报和智能移动设备市场，CPS120智能MEMS电容传感器同样适合医疗设备、空气环境控制系统和工业设备等领域。例如呼吸设备、睡眠辅助设备和健康监测系统等医疗设备领域；空调系统、环境监测控制系统中的压力监测、调整；以及广泛的工业设备市场【g】。参考文献：1、 自动检测技术 马西秦 编著 机械工业出版社，2011.012、 中国机械工程科技期刊 1998年10月第9卷第10期3、 传感器原理及应用 吴建平 编著 机械工业出版社，2008.10参考网址：a、 /view/c86c1f51ad02de80d4d8402d.htmlb、 /Thesis_Y1622919.aspxc、 /qikan/periodical.articles/zgjxgc/981020.htmd、 /product/MBR100326105129734267/PRO100326121157593545.xhtmle、/ART_8800117488_1500_0_3604_0_feb96850.HTMf、/%E6%A8%A1%E5%85%B7%E6%