电容式传感器

电容式传感器摘要：随着科技的发展，电容的测量技术有了很大的进展，它不但广泛应于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用与压力、差压、液面、料面、成分含量等方面等测量。由于电容式传感器具有结构简单，体积小，分辨率高，可非接触量等一系列优点，所以电容式传感器在各个领域都得到了广泛的应用，并且在市场中不断地发展。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。关键字：电容式传感器、应用与发展Abstract:withthedevelopmentofscienceandtechnology,measurementtechnologyofcapacitorhasmadegreatprogress,itisnotonlywidelyusedinvibration,displacement,angle,accelerationandothermechanicalquantitymeasurementprecision,butalsograduallyexpandtheapplication,andpressure,differentialpressure,liquidlevel,level,contentandotheraspectsofmeasurement.Thecapacitivesensorhastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,highresolution,aseriesofadvantagesofnon-contactmeasurement,sothecapacitivesensorsinvariousfieldshavebeenwidelyused,andcontinuetodevelopinthemarket.Sincethelate70's,withthedevelopmentofintegratedcircuittechnology,themeasuringinstrumentandmicroencapsulatedincapacitivesensor.Thenewsensorcanmaketheeffectofdistributedcapacitanceisreduced,theinherentdisadvantagesareovercome.Thecapacitivesensorisawiderangeofsensors,hasgreatdevelopmentpotential.Keywords:capacitivesensor,applicationanddevelopment一．电容式传感器原理1.电容式传感器的基本工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器如图1所示.如果不考虑其边缘效应,则其电容量式中极板间介质的介电常数;S为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式（1）中的S、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,通过测量电路进一步转换为电压!电流或频率输出,这样就实现了非电量到电量的转换.因此,电容式传感器可分为变极距型!变面积型和变介质型3种.2．变极距型电容传感器原理分析图2为变极距型电容式传感器的原理图.当传感器的ε和S不变,初始极距为do时,电容器电容量若电容器受外力作用，极距由初始值do缩小了Δd,则电容器容量为因此,Δd变化时,电容量C也随之而变,这就是变极距型电容式传感器的原理.若是被测物带动上极板上(下)位移了vd,电容量C也随之而变,用这种方法就可以测量位移。3．变面积型电容式传感器原理分析图3是变面积型电容传感器原理结构示意图.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.当动极板相对定极板沿长度方向平移Δx时，两极板对齐面积变为S=(a-Δx)b，则电容量变为因此,Δx变化时,电容量C也随之而变,这就是变面积型电容传感器的原理.若是被测物带动上极板相对下极板左(右)位移了Δx,电容量C也随之而变,用这种方法也可以测量位移。4．变介质型电容式传感器原理分析图4是变介质型电容式传感器结构示意图.图中两平行极板固定不动,极距d为常数,相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插至电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积,传感器总电容量C为两种介质εr1、εr2组成的两个电容并联.则电容器容量变为式中,lo和a表示极板的长度和宽度,ε0表示真空介电常数;l表示第2种介质至极板间的长度.两种介质εr1、εr2确定以后.变量只有l,因此,l变化时,电容量C也随之而变,这就是变介质型电容式传感器的原理。[1][6]二、相关测量电路由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[10]。与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂。分立元件过多也将影响电容的测量精度。微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率。1.调频电路这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接，抗干扰能力强，可实现远距离测量[8]。不足之处主要是稳定性差。在使用中要求元件参数稳定、直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其输出非线性大，需误差补偿。2、双T型交流电桥电路电桥电路灵敏度和稳定性较高，适合做精密电容测量；寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂[9]。此电路从原理上没有消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等措施，效果不一定理想。3.运算放大器电路该电路的最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性，是电容式传感器比较理想的测量电路。但电路要求电源电压稳定，固定电容量稳定，并要求放大倍数与输入阻抗足够大。4.谐调电路特点：灵敏性好，但工作点不容易选好，变化范围也比较窄。5.电桥电路电桥电路灵敏度和稳定性较高，适合做精密电容测量；寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂[9]。此电路从原理上没有消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等措施，效果不一定理想[10]6、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。其优点主要有：采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求，便于集成组件化；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的要求也不高；电路抗干扰性能较强，不仅适于静态测量，也适用于动态测量，并有较大的动态工作范围。此电路对直流电源电压稳定性及电路对称性有较高要求。三．应用现状1电容式位移传感器电容式位移传感器可以实现非接触测量,用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等。CapaNCD(非接触电容位移传感器)测量原理的基础在于理想平板电容的构成,两个平板电极由传感器和相对应的被测体组成,当恒定的交流电加在传感器电容上时,传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比,交流电压经检波器,与一个可设置的补偿电压叠加,经放大,作为模拟信号输出。capaNCDT610是一个精密的单通道系统,它由电容位移传感器,传感器电缆和处理信号的前置器组成,用户可以在现场用二点线性化方法校准。这种传感器的特点是工作时无磨损,免维修、对被测体没有作用力、具有高的零点稳定性和精度、与被测体导电性能以及导电性能变化无关而且几乎不受温度capaNCDT610可输出0~10V的电压,在牺牲精度的情况下,测量范围还可以扩大2~3倍。[7]2.2电容式物位传感器电容式物位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为一个电极),由于电极间是气体、液体或固体而导致静电容发生变化,因而可以敏感物位。它的敏感元件有三种形式,即棒状、板状和线状,其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。电容式物位传感器可以采取微机控制,实现自动调整灵敏度,并具有自诊断功能,同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等,并可以自动报警,实现高可靠性的信息传递。由于电容式传感器无机械可动部分,且敏感元件简单,操作方便,是目前应用最广的一种物位传感器。[1]2.3固态电容式指纹传感器个人身份的确定和权限的认定是人类社会生活的一个重要环节,尤其随着信息网络时代的到来,人们对安全性的要求越来越高。传统的身份识别方法在安全性、可靠性方面的不足越来越明显。随着传感器技术的发展,人们利用电容式传感器对人体不变的生物特征如指纹进行识别,从而识别人的身份,可靠性大大提高,广泛应用于养老金领取、人事工资管理、银行柜员身份确认等很多场合。目前市场上有两种固态指纹传感器,第一种是单次触摸型传感器,要求手指在采集区进行可靠的触摸;第二种则需要用手指在传感器表面擦过,传感器会采集一套特定的数据进行快速分析和认证。这两种指纹传感器都是利用指纹中凸起的部分置于传感器电容像素电极时电容量会有所增加,从而通过检测增加的电容来进行数据采集的。目前这两种指纹传感器都得到了广泛的应用。[5]四、在具体工程中的应用1.PT800型压力变送器PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零点、满量程。广泛应用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。[2]2.电容式触摸屏目前，电容式触摸屏已经逐渐广泛应用于消费电子、便携式产品领域。从理论上说，一根走线、间隔、另一根走线，这就是组成一个电容传感器的全部所需，直接在这些走线上覆盖一层绝缘透明塑料膜即可使其成为电路板的一部分。当手指或某物体或人接近或者碰触到传感器时，电容传感器会检测(或称感测)到电容值的变化如下图标所示3.电容式CR601A型液位变送器可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室，供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式，可适用于高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞、防冷结等特殊条件下液位的连续检测，可广泛应用于电力、冶金、化工、食品、制药等各行业和污水处理、锅炉汽包、煤粉包等场所的液位测量。[4]五、市场技术发展趋势近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的点不断地被克服,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。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。[5]六、电容式传感器在应用中的注意事项1．克服寄生电容的影响电容式传器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性