电容式传感器

机械工程学院

09机电3班

郭士豪0910100633电容式传感器传感器，TransducerorSensor，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。即使这么说，还是觉得它很抽象吧。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。传感器的技术特点是：内容范围广泛且离散；知识密集程度高、边缘学科色彩浓厚；技术复杂、工艺要求高；功能广、品种多、性能优；应用广。传感器的分类众多，可以按工作机理分类，按被测量分类，按被测量的性质不同分类，按敏感材料分类，按能量关系分类，按工作原理分类，按输出信号形式分类和按应用范围分类 如果按照工作原理分类，一般有：电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式、磁敏、湿敏、光纤式等。而现在要论述的就是电容式传感器。电容式传感器，顾名思义，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。1电容式传感器的工作原理和结构形式1.1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。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电容式传感器结构表小电容式传感器结构C=eS/6=8qeS/6式中S 极板相互遮盖面积（m2）；6——两平行板间距离（m）；冬——极板间介质的相对介电常数;

真空的介电常数(8.85X10-i2真空的介电常数(8.85X10-i2F/m)。由式(7-1)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固定介质变间隙电容式传感器动极定极Adi2•动极定极Adi2固定介质变间隙电容式传感器的灵敏度:， 灵敏度因子：固定介质变间隙电容式传感器的非线性误差：介电常数提高，可以提高灵敏度因子，这时灵敏度得到提高，但非线性误差也增加了，为了减小非线性误差，也可以采用差动方式。2.2变面积电容式传感器变面积电容式传感器的灵敏度：变面积电容式传感器的非线性误差：面积电容式传感器无非线性误差，增加b，减小d可以提高灵敏度，1不能太小，否则边缘效应明显。

2.3变介电常数电容式传感器•变介电常数电容式传感器结构:••变介电常数电容式传感器的灵敏度:灵敏度因子：•变介电常数电容式传感器的非线性误差:非线性因子：3电容式传感器的信号调节电路3.1运算放大器式电路•电路：3.23.2电桥电路•电路：cffrlirL〒C2。滤波振荡,UcffrlirL〒C2。滤波振荡,U3.3调频电路•直放式调频调频振荡 限幅~~鉴频~~放大•外差式调频•外差式调频比直放式调频性能优越，其选择性高、特性稳定、抗干扰性强。•调频方式具有抗干扰性强、特性稳定、输出电平高（伏特级）3.4谐振电路•电路UU0•特点：◊灵敏度高◊工作点难以确定◊工作范围窄◊传感器要离电路近。◊振荡器要求稳定性高。3.5二极管T型网络•电路E0方波电源传感器电容平衡电容负载电阻E0方波电源传感器电容平衡电容负载电阻•当E>0时：C充电E—D1—C1—E，；C放电C一R一R一C，C—E—D—R—R—CTOC\o"1-5"\h\z•当E<0时：2 'C充电E—D2—C2—E，；C放电C—R—R—C，C—E—D—R—R—C•C放电C—R—R—C和C放电C—R—R—C形成电流正I1 11 f 1 2 2 2 f 2 0和负10,10的平均值为两者之差。•平衡时：C=CnI=0nU=0•平衡时：C丰CnI尹0nU尹0•特点：1 2 0 0◊E、C、C、R有共同的地◊工作电平高：D,D都工作于线性区◊输出电压高◊输出电流大，R=1~100。时，10=1mA~1HA数量级◊上升时间小，R=1k。时，△t=20HS数量级。适合高速测量。f3.6脉冲宽度调制电路电路双稳触发双稳触发器j—\

R2初值：u=U=0加电时假设：U=U，电，U=0不变。不断提高的初值：u=U=0加电时假设：U=U，电，U=0不变。不断提高的U>U时!速放电充电使c=\，不断提高的U>UI速放电充电使5U=f0，•••••TOC\o"1-5"\h\zS触发使U=0，U=U，这时C通过D.快而c2开始充电，ud不断提高。 1 1时，R置位使U=0，U=U，这时C通过D快而C开始充电，U不断提高。 2 2D 1 C12均值与C和C的大小有关。设R=12均值与C和C的大小有关。设R=R212•变极板距离电容时:AdU

d1

0U0=UAB变面积电容时:U0=—C对于差动电君AdU

d1

0U0=UAB变面积电容时:U=U=A1-A2uAA一UA100ABAIA1对于差动电容：C1=cAA一UA104影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施4.1影响精度的因素•温度对电容结构尺寸的影响，将引起电容值的变化。•温度对电容的电介质的影响，将引起电容值的变化。•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。•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。4.2提高精度的措施•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。•增加原始电容值，以减小寄生电容和漏电的影响。•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。•采用驱动电缆法，以消除电缆电容效应。•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P104图5-23。5电容式传感器的应用5.1压差式电容压力传感器构成：膜片一一动极板，一般采用不锈钢材料制作，需要加预张力。玻璃基

片上镀有金属层的球面极板，这里的球面很夸张。球面的作用是压力过大时（过载）保护膜片，并改善系统的非线性。后续测量电路常使用差动脉冲调宽电路。电容式压爰传电容式压爰传由压差式电容压力传感器工作过程可得:（C-C）/（C+C）=K（P-P）1 2 1 2 HL式中qC2——电容（F）；K '——常数，与传感器结构有关；Ph ——两球室承受的低压（Pa）；Pl ——两球室承受的高压（Pa）。5.2电容测厚仪电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中的厚度的在线检测仪器。在被测带材的上下两侧各设置一块面积相等、与带材距离相等的极板，两块用导线连接作为传感器的一个电极板。带材本身则是电容传感器的另一个电极板。当带材在轧制过程中的厚度发生变化时，引起电容的变化。通过测量电路与指示仪表可显示带材的厚度。电容式测厚仪原理框图5.3电容传声器

电容式测厚仪原理框图5.3电容传声器大膜片电容传声器驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器(Microphone)即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。5.4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。6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。其中在指纹传感器上的应用更是多种多样，如：西门子推出的“IDMouse”指纹鼠标、98年西门子推出的SL10指纹手机、手形识别系统、面部识别系统、人体静脉识别系统和指纹保险箱等等。随着科技的发展，电容式传感器在各种领域上的应用将越来越广泛。电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载