电容式传感器研究现状及趋势

电容式传感器研究现状及趋势摘要：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，广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中。随着传感器的不断发展与成熟，电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。关键字：电容式传感器工作原理测量电路应用中图分类号：TP212文献标识码AapacitivesensorresearchpresentsituationandthetrendJiXinyunAbstract:capacitivesensoristobemeasuredintoacapacitancechangeparametertypesensors,widelyusedinpressure,liquidlevel,displacement,etc.Variouskindsofdetection.Withthecontinuousdevelopmentofsensorandmature,thecapacitivesensorasapromisingnewtechnology,theincreasinglybroughttotheattentionofthepeople.Keywords:CapacitivesensorsWorkingprincipleMeasurementcircuitApplication0引言电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、动态响应好、电容量小（一般为几十到几百微法）、负载能力差、易受外界干扰产生不稳定现象等特点。传感器是可以将非电量转换为电量的一种器件，在通信技术中信息的捕获方面起着非常重要的作用，而作为众多类型传感器中的一种，电容式传感器有着许多优点，应用也非常广泛。1、电容传感器的基本结构及工作原理该传感器是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常见的结构包括平板状和圆筒状，简称平板电容器或者圆筒电容器。平板电容式传感器的结构图如图a所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为dAdACr0A,d——两平行板所覆盖的面积及之间的距离；r,——电容极板间介质的介电常数和相对介电常数；0——自由空间（真空）介电常数，0=mF/10*854.812。d、s、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此平板电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。图（a）圆筒电容式传感器的结构图如图b所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为)/ln(20dDlCrArd图（b）当被测参数r或者l变化时，将导致圆筒电容式传感器的电容量C发生变化。因此圆筒电容式传感器可分为变介质介电常数的变介质型和变极板间覆盖高度的变面积型两类。【1】1.1变面积型（1）线位移变面积型对于平板状结构，当被测量通过移动极板引起两极板有效覆盖面积A发生变化时，将导致电容量变化。结构原理图如图c所示。设动极板相对于定极板的平移距离为x，则电容为dbxaCCCr/)(000C——初始电容；C——电容的变化量。电容的相对变化量为axCC0由此可见，平板电容式传感器的电容该变量C与水平位移x成线性关系。【2】图（c）（2）角位移变面积型角位移变面积型电容式传感器的原理如图d所示。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积将变为图中阴影部分，即2/20rAA，2/20rA此时电容量为0CC可知传感器的电容改变量C与角位移成线性关系。变面积型电容式传感器也可以接成差动形式，灵敏度同样会加倍。图（d）1.2变介质型变介质型电容式传感器就是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。（1）平板结构平板结构变介质型电容式传感器原理如图e所示，由于在两极板间所加介质的分布位置不同，可分为串联型和并联型两种情况。1d1d00(a)串联型(b)并联型A1d0A1A2图（e）对于串联结构，可以认为是上下俩个不同介质电容式传感器的串联，介质改变后的电容增量为11100100ddCCCC对于并联结构，可认为是左右俩个不同介质电容式传感器的并联，介质改变后的电容增量为dACCC)1(1100可得，介质改变后的电容增量与所加介质的介电常数1成线性关系。【3】2.圆筒结构如图f所示，为圆筒结构变介质型电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图，设被测介质的相对介电常数为1，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，此时相当于俩个电容器的并联。对于筒式电容器，如果不考虑端部的边缘效应，可得总的电容值为)/ln()1(210dDhCCC可得，电容增量C与被测液位的高度h成线性关系。图（f）1.3变极距型（1）工作原理分析当平板电容式传感器的介电常数和面积为常数，初始极板间距为0d时，其初始电容量为000dACr测量时，一般将平板电容的一个极板固定即定极板，另一个极板与被测体相连即动极板。如果动极板因被测参数改变而位移，导致平板电容极板间距缩小d，电容量增大C，则有00000/1ddCddACCCr可知平板电容器间距的变化引起电容量的相对变化关系如图g所示由图可得即使相同的极板间距的改变)(21dd，也可能引起不同的电容量的变化)(21CC，因为平板电容式传感器在不同位置的灵敏度（曲线的斜率）是不一样)(21KK。CC1C2Od1d2CC1C20d1d2d图（g）经线性化除了可得电容增大量为ddCC00由此可见，C与d为近似线性关系。（2）非线性分析根据分析可知，变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器的输入量与输出电容量间的关系均为线性，只有变极距型电容式传感器的输入量与输出量间存在着非线性关系。但这是在忽略边缘效应下得出的结论，实际上由于边缘效应引起漏电力线，使极板间电场分布不均匀，因此，变面积型和变介质型电容式传感器仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型电容式传感器好得多。【4】变极距型电容式传感器的灵敏度为001/ddCCK由dddCC00得dddCCK001/在实际应用中，为了既提高灵敏度，又减小非线性误差，通常采用差动结构，如下图所示总上所述可知，变极距型电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了一倍，非线性误差因为转化为二次方关系而得以大大降低。2、电容传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。测量电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等，前俩个用于单个电容量变化的测量，后两个用于差动电容量变化的测量。2.1调频电路振荡频率012012()fLCCC0012012()fffLCCCC特点：（1）转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。（2）具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。（3）但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。鉴频限幅调频振荡器CoL电容式传感器ffu放大u输出2.2运算放大器输出电压与输入位移间存在线性关系00000011iCUZIIjIjwCwC011xCxxxxxUZIIjIjwCwC00xII00xII00idCUUA2.3变压式交流电桥在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压与位移成线性关系。22101212ZZZZZ2ZZ2iiiUUUU－＝－＝＋＋120122iUCCUCC－＝＋对于变极距型电容式传感器10ACdd＝-0IiUOiIxIoU－KxC0CU2U2UC1C2oU＋－＋－＋－20ACdd＝002iUdUd＝2.4二极管双T型交流电桥该测量电路的优点：电路简单，无需相敏检波和整流电路，便可得到较高的直流输出电压。输出信号的上升时间取决于负载电压，可用于测量高速机械运动。在负载和电源确定的情况下，输出电压只与电容的差值有关。3.电容式传感器的应用电容式传感器可以用来测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等量的传感器，往往用单极式变间隙式传感器。近年来已采用这种方法测量油膜等物质的厚度。可以直接测量的非电量为：直线位移、角位移及介质的几何尺寸，直线位移及角位移可以使静态的，也可以是动态的，例如是直线振动及角振动。3.1电容式差压变送器实现了差压－电容的转换。如果采用脉冲宽度调制测量电路，容易得到电路输出电压与差压成线性关系。特点：结构简单、灵敏度高、响应速度快（100ms），能测量微小差压（0－0.75Pa）。LHHLLHCCKPPKPCC=（）=3.2电容式加速度传感器特点：频率响应快、量程范围大002CdCd212Sdat20002CdatCdd3.2电容式测厚仪电容式测厚仪式用来测量金属带材在榨汁过程中厚度的检测仪器。金属带材在轧制过程中不断前行，如果带材厚度有变化，将导致上下两个电容器的极板间距离发生改变，从而引起电容量的变化。将电容器接入相应的测量电桥，产生不平衡输出，从而对带材厚度的质量进行判定。【5】轧辊电容器极板被测带材2C1C4.电容式传感器趋势及结论由于电容传感器具有抗电子干扰和反隐身性能，而应用于军事领域。在普通应用场合，电容传感器电极被设计成类似于普通电容电极式结构，即电容传感器电极具有对称性。而在某些特殊应用场合，电极结构和组合方式是非对称性的，以便提高它的灵敏度。当电容传感器被用于近感探测定距时，它是利用电容传感器载体接近被探测物体时，引起传感器自身周围电场的扰动，在传感器探测电极和目标之间、目标和传感器另一电极之间出现电容作用，使得传感器的等效电容发生变化，利用这个变化而实现定距的。传感器电极大小和组合方式，对灵敏度和探测距离具有决定意义。电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。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。【6】当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。参考文献：【1】丁英丽.本溪冶金高等专科学校自控系.传感器技术.2003年第22卷第4期【2】胡向东，刘京诚，余成波，等.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2009【3】胡向东，徐洋，冯志宇，等.智能检测技术与系统[M].北京：高等教育出版社，2008【4】陈玉泉，李广.现代传感器技术.杭州：浙江大学出版社，1995【5】丁镇生.传感器及传感器技术应用.北京电子工业出版社，1999【6】中国工控展览网.传感器的发展前景