《电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用》

自动检测技术及应用姓名王世夫学号201105620107年级2011级专业电气1班系（院）汽车学院指导教师张伟年月日电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用摘要：电容式传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，通过传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，在经过测量电路转化为电压、电流或频率。电容式传感器广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还应用于压力、差压、液位、料位等热加工量的测量。本文主要介绍电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用。关键词：电容式传感器工作原理压力测量应用发展1.引言电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。2.电容式传感器的基本工作原理以储存电荷为目的制成的元件称为电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为平行板电容器ε为电容极板间介质的介电常数,ε0=8.83×10-12F／m,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的A，d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可以分为三种类型：变间隙式、变面积式和变介电常数式。dAdAcr02.1变间隙式电容式传感器如图2为变极距型电容式传感器的各型原理图。图2当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,由可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有C1=C0+ΔC=由该式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。电容式传感器起始电容量一般设置在十几皮法至几十皮法，极板间隙设置在100~1000чm的范围比较妥当，动极板移动位移应该小于两极板间距1/10~1/4，电容可增加2~3倍。2.2变面积电容传感器如下图是变面积型电容传感器原理图。变面积线位移电容传感器原理图变面积角位移电容传感器原理图图4图5移动动极板，改变两极板之间的有效面积，电容量也随之改变，电容C为：dAc00dAr20200000)(1)1(ddddcdddAraXCdxabCX1)(000传感器灵敏度为：电容增量：很明显,这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系。如图5是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时,则C0=ε0εrA0d0式中:εr为介质相对介电常数;d0为两极板间距离;A0两极板间初始覆盖面积，当θ≠0时,则C1=ε0εrA0从上式可以看出,传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。2.3变介质型电容式传感器因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也不同，变介电常数式电容式传感器就是依据此原理制作的。如图6是变变介电常数电容传感器原理图。图6当在电容器两个极板之间充以空气以外的其他介质时，介电常数相应变化，电容量发生改变，构成了变介电常数型电容传感器。变介电常数电容传感器的结构较多，其中有利用一些非导电固体的湿度变化，介质自身介电常数变化的电容传感器，可以用来测量粮食、纺织品、木材、煤炭等物质的湿度。图7如图7是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为dbxCKxdbCCC0C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,所以C0由上式可知,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。变介质型电容传感器有较多的结构型式,可以用来测量纸张,绝缘薄膜等的厚度等，图8是一种常用的结构型式。图8图中两平行电极固定不动,极距为d0,相对介电常数为εr2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,b0为极板长度和宽度;L为第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容C0=ε0εr１L0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,引起电容的相对变化为可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。变介电常数式电容式传感器常用于测量液位高度，也可以测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，还可以用来测量粮食、纺织品、木材等的非导电固体介质的湿度。3.电容式传感器优缺点dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210dDHln2000021)(1dLLbcccr0000)1(2LLcccccr电容式传感器具有以下优点：结构简单，性能稳定，可以在恶劣环境下工作；动态响应好，灵敏度高，分辨力强，没有由于震动引起的漂移，但它同时也具有以下缺点：测试导线分布电容对测量误差影响较大，电容量的变化与极板间距离变化为非线性。电容式传感器具有一系列的优点，随着电子技术的发展，测试导线分布电容对测量误差的影响以及非线性的缺点也可得到克服，所以电容式传感器在自动监测中得到越来越广泛的应用。4.电容式传感器的应用电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。如图9所示为电容差压传感器。构成：膜片——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。电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。现在传感器的应用十分广泛，其发展趋势逐渐趋向固态化、集成化、多功能化、图像化以及智能化。例如：1、ZCS1100型精密电容位移传感器。本传感器可以在线检测压电微位移、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。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。2、FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器。在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮机、船舶机械。监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。，从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。是理想的在线水分检测传感器。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。直接显示，远程控制和报警。实现数据存储，积算、传输和控制功能。普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统例如：高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系统、造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。粘度计，污染度，湿度计电容式传感器3、FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。5电容式传感器的发展趋势近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。2011年，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。除了CPS120以外，已有MEMS电容式加速度传感器、MEMS硅膜电容式气象压力传感器等一系列智能传感器问世。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样,其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。6.总结电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它具有结构简单，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触量，并能够在高温、辐射和振动等恶劣条件下工作等一系列优点。广泛应用于压力、位移、加速度、液位、振动及湿度等参数的测量。本文主要介绍电容式传感器的原理、结构、特点及在应用。参考文献[1]陈霞,吴春旺.电容传感器在使用中存在的几个问题及处理方法[M].2005.[2]张白莉.电容式传感器的应用和发展[M].2005.[3]马西秦，许振中，赖申江.自动检测技术[M].2008:45—53.[4]张祖魁.电容式传感器在自动化生产设备上的应用[M].2006.[5]作者不详.探寻触摸屏背后的秘密.2004.[6]吴克坚.电容式触摸屏应用技术基础[M].2002:71—72.[7]王松林,鲁高奇.电容式传感器测量电路设计.2009.[8]AlvinWong.电容式触摸屏[M].2010.[9]陈杰,等.传感器与检测技术[M].2002.