第3章-电容式传感器

第三章电容式传感器电容测量技术近几年来有很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、成分含量等方面的测量。优点：结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。缺点：存在分布电容、引线电容、非线性。§1电容传感器的工作原理和结构§2电容传感器的输出特性§3电容传感器的等效电路§4电容传感器的测量电路§5电容传感器的应用目录§1电容传感器的工作原理和结构一、基本工作原理：电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。d分类变极距型—变极板间距d变面积型—变极板面积A变介电常数型—介质变化平行板电容器的电容量为：（3-1）ACd式中——电容极板问介质的介电常数A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离；二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量C与极板距离d不是线性关系，而是如图3—2所示的双曲线关系。若电容器极板距离由初始值缩小，极板距离分别为和其电容量分别为和即：(3—2)（3—3）当时，，则式（3—3）可以简化为：（3—4）0dd0d0dd0C1C00ACd012000200(1)(1)(1)dAdAACdddddddd0dd22011dd010000(1)dAddCCCddC1C2C0d1d2d图3-2由图3—2可以看出，当较小时，对于同样的变化所引起的电容变化量可以增大，从而使传感器的灵敏度提高；电容量与极板距离的关系0ddC在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素(例如电源电压、环境温度、分布电容等)对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原理如图3—4所示。d1C1d2C2定极板定极板动极板图3—4差动电容传感器原理新型传感器技术面临战略机遇期每课一新中国科学院院士、大连理工大学教授王立鼎在日前举行的“2004中国传感器产业发展论坛暨东北MEMS(Micro-Electro-Mechanic-System)研发联合体研讨会”上指出，未来10至20年将是我国新型传感器技术得到全面、协调、持续发展的战略机遇期.世界上传感器品种达3万余种，研究、生产单位5000余家。我国近年来在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和支持下，传感器技术和产业取得了长足发展。目前国内有1600余家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，产品3000多种，年总产量超过13亿只，销售总额100多亿元。三、电容式位移传感器的结构形式：电容式位移传感器的基本结构形式，按照将机械位移转变为电容变化的基本原理，通常把它们分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这三种类型又可按位移的形式分为线位移和角位移两种。每一种又依据传感器的形状分成平板型和圆筒型两种。电容式传感器也还有其他的形状，但一般很少见。结构形式二电容传感器分类比较§2电容式传感器的输出特性差动电容传感器的结构如图3—4所示()其输出特性曲线如图3—5所示。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为d。当中心电极在机械位移的作用下发生位移时，则传感器电容量分别为d1000001111AACCddddddd2000001111AACCddddddd若位移量很小，且，上两式可按级数展开，得:d01dd2310000[1()()...]dddCCddd2320000[1()()...]dddCCddd电容量的总变化为:电容量的相对变化为:312000[22()...]ddCCCCdd324000000[22()...]2[1()()...]CdddddCddddd图3—5差动电容传感器输出特性曲线2420000000002()()...()2CCCdCCCddddrCddddCd线性实际线性（）（）（）差动电容式传感器的相对非线性误差为：若略去高次项，则与近似呈线性关系则灵敏度为0CC非线性误差：灵敏度0dd002CdCd00022CdCdddd324000000[22()...]2[1()()...]CdddddCddddd为了比较看出差动电容传感器的优势，我们分析一下非差动电容传感器。而对于非差动电容式传感器由式中可见，输出电容的相对变化量与输入位移之间呈非线性关系，当略去高次项，得到近似的线性：230000[()()...]CdddCddd00CdCd电容传感器的灵敏度为：0001CdCdKddd若只考虑式中的线性项与二次项则则其非线性误差为：2000()CddCdd232000000000()()...()CddddCdddddrddddddd比较可见，电容传感器做成差动式之后灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降低了。§3电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路可以用图3—6所示电路表示：LCPRSR图中考虑了电容器的损耗和电感效应，为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板的电阻。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由等效电路可知，等效电路有一个谐振领率，通常为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。PRSR§4.4电容传感器的测量电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。一、调频测量电路：调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。如下图所示：振荡器Cx限幅放大器fu鉴频器fCx电容变换器uL直放式调频电路当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。C0振荡器缓冲放大器变频本机震荡中频放大鉴想器放大输出电容传感器限幅放大外差式调频电路调频振荡器的振荡频率为：12fLCL——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容120CCCCC为振荡回路固有电容；为传感器引线分布电容；1C2C0CC为传感器的电容;当被测信号为0时，=0，则，所以振荡器有一个固有频率C120CCCC012012()fLCCC当被测信号不为0时，，振荡器频率有相应变化，此时频率为：0C012012()fffLCCCC每课一新MEMS是MicroElectro-MechanicalSystem的缩写，简称“微机电系统”，其主要特点是体现在“微”字上，即“Micro”上，通常我们认为MEMS特征尺度在亚微米至亚毫米之间。而特征尺度在亚毫米以下的机械电子系统，由于量子效应的作用，其理论基础与加工技术已经完全改变，属于最近几年来新提出来的纳机电系统（NanoElectro-MechanicalSystem,NEMS）的研究范畴。其次，MEMS的特征也体现在功能上，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能，具有一定程度上的智能化。具有以下特点：一、体积小，精度高，重量轻。能在极小的空间里实现多种功能；二、性能稳定，可靠性高。由于MEMS器件的体积极小，有些几乎不受热膨胀、噪声和挠曲等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的情况下稳定工作。三、能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同的工作，微机电系统所消耗的能量仅为传统机械的十分之一或几十分之一，而运作速度却可达其10倍以上，如微型泵的体积可以做到5mm×5mm×0.7mm，远小于小型泵，但其流速却可以达到小型泵的1000倍。由于机电一体的MEMS基本上不存在信号延迟等问题，从而更适合高速工作。四、多功能和智能化。许多MEMS产品体传感器（Sensor）、执行器（Actuator）和电子控制电路等为一体，特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功能和智能化。五、可能实现低成本、大批量生产。MEMS能够采用与半导体制造工艺类似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部件制造成本比传统机械加工显著降低。由于上述多种优点，MEMS器件及产品在科技发展和经济生活中的意义日益突出，受到世界各国和组织的高高重视，美国、德国、欧盟、日本和中国等纷纷制定MEMS发展计划，政府部门、企业、科研机械等的积极参与，使MEMS的发展速度日益增快，各种材料、工艺、工具等被应用到MEMS器件及产品的生产中，从而推动了MEMS在医疗、汽车、国防、航空航天等领域得到广泛应用。二、运算放大器式电路：由于运算放大器的放大倍数K非常大．而且输入阻抗很高．运算放大器的这一特点可以作为电容传感器的比较理想的测量电路，其电路如图3—8所示：0UiUiIIxIxCiCa-k图3-8运算放大器式电路为电容传感器。图中a点为虚地点，由于输入阻抗很高，所以，根据克希霍夫定律，可列出如下方程：xCiZ0IiiiIUjC0xxIUjCixII解上面三式得：0iixCUUC如果传感器是平板电容，则0xACd把该式代入上式得：00iiCUUdA（式3-23）从式(3—23)可知．运算放大器的输出电压与动极板机械位移d(即极板距离)成线性关系，运算放大器电路解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问题。式(3—23)是的前提下得到的。0UiZK由于实际使用的运算放大器的放大倍数K和输入阻抗总是一个有限值，所以，该测量电路仍然存在一定的非线性误差；当K，足够大时，这种误差是相当小的，可以使测量误差在要求范围之内，因此，这种电路仍不失其优点。iZiZ当然除了这些测量电路外还有交流不平衡电桥、二极管环形检波电路、这些电路由于时间原因不一一讲授，请大家参考相关参考书目。§3.4电容传感器应用电容传感器由于检测头结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成。所以它能经受相当大的温度变化及各种辐射作用，因而可以在温度变化大、有各种辐射等恶劣环境下工作。电容传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，适合于在线和动态测量。电容传感器具有高灵敏度．因此，电容传感器近年来甚被重视，它广泛地被应用在厚度、位移、压力、速度、浓度、物位等物理量测量中。下面举例来说明电容传感器的应用情况。一、电容式气体压力传感器：二、电容式加速度传惑器：1一固定电极，2一绝缘垫；3一质量块；4一弹簧；5一输出端：6一壳体三、荷重传感器四、液位传感器：五、电容式振动传感器六、由差动式电容测厚传感器构建检测厚仪：电容式测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况，该厚度量的变化现阶段常采用独立双电容测厚传感器来检测。它能克服两电容并联或串联式传感器的缺点。应用独立双电容传感器，通过对被测板材在同一位置、同一时刻实时取样能使其测量精度大大提高。独立双电容测厚传感器一般分为运算型电容传感器和频率变换型电容传感器两种。前者对0．5—1.0mm厚度的簿钢板进行测量，其测量误差小于20；后者其测量误差小于0.3。mm图3—11所示为频率型差动式电容