电容传感器最新

第二节第二节 电容式传感器电容式传感器Capacitance Sensor 电容器是电子技术的三大类无源元件之一，利电容器是电子技术的三大类无源元件之一，利用电容器的原理用电容器的原理,将被测参数转换成相应的电容量将被测参数转换成相应的电容量,进而实现非电量到电量转化的器件或装置，称为电进而实现非电量到电量转化的器件或装置，称为电容式传感器。容式传感器。电容传感器电容传感器实质上是一个具有可变参数的电容器。实质上是一个具有可变参数的电容器。CxCx1 优点优点:（1 1）结构简单，适应性强；）结构简单，适应性强；（2 2）温度稳定性好；）温度稳定性好；（3 3）动态响应好；）动态响应好；（4 4）可实现非接触式测量；）可实现非接触式测量；（5 5）分辨力高，可以实现）分辨力高，可以实现nmnm级测量。级测量。缺点缺点:（1 1）输出阻抗高，负载能力差；）输出阻抗高，负载能力差；（2 2）易受寄生电容影响；）易受寄生电容影响；（3 3）存在边缘效应。）存在边缘效应。应用：应用：可用于压力、位移、厚度、加速度、液位、可用于压力、位移、厚度、加速度、液位、湿度和成分含量等测量之中。湿度和成分含量等测量之中。2一、平行板电容传感器一、平行板电容传感器 电容式传感器的基本类型是平行板电容器，电电容式传感器的基本类型是平行板电容器，电容量表示为：容量表示为：其中：其中：S S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；d d 极板间距离；极板间距离；r r相对介电常数；相对介电常数；0 0真空介电常数，真空介电常数，0 08.85pF/m8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。Sd3Aaaaa1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 Ad d4ddDC CDd dd5略去高次方项，得输出特性：略去高次方项，得输出特性：原理上变极距型存在非线性问题。原理上变极距型存在非线性问题。6灵敏度：灵敏度：相对灵敏度：相对灵敏度：考虑到展开式中的二次方项：考虑到展开式中的二次方项：相对非线性误差：相对非线性误差：7 相对灵敏度与相对灵敏度与d d成反比，成反比，d d越小，越小，S S越大；越大；非线性误差与非线性误差与d成反比，成反比，d越小非线性误差越大；越小非线性误差越大；d d过小，极板可能击穿，同时为保证线性特性，测量过小，极板可能击穿，同时为保证线性特性，测量范围小范围小；S S可以很大，实现纳米测量。可以很大，实现纳米测量。特点：特点：分辨力极高分辨力极高 线性较差线性较差 灵敏度不是常数灵敏度不是常数测量范围小测量范围小821ddddd ddddd 为解决非线性和灵敏度之间的矛盾可以采用差动为解决非线性和灵敏度之间的矛盾可以采用差动式结构，如图示。式结构，如图示。9电容的总变化量为：电容的总变化量为：10输出特性：输出特性：灵敏度：灵敏度：相对灵敏度：相对灵敏度：非线性误差：非线性误差：11 单电容单电容 差动电容差动电容 输出特性输出特性 灵敏度灵敏度非线性误差非线性误差 差动式与简单式特性比较差动式与简单式特性比较12LL 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 A A1 1A A2 2DC CDA A13输出特性：输出特性：灵敏度：灵敏度：相对灵敏度：相对灵敏度：14 实际使用中为提高灵敏度并克服极板的边缘效应实际使用中为提高灵敏度并克服极板的边缘效应改善非线性，通常也采用差动组合结构改善非线性，通常也采用差动组合结构。15 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 这种类型的传感器是通过改变两极板间介质的介这种类型的传感器是通过改变两极板间介质的介电常数实现测量的。当介电常数变化时，其电容量会电常数实现测量的。当介电常数变化时，其电容量会随之改变，此种类型的传感器可用于温度、湿度的测随之改变，此种类型的传感器可用于温度、湿度的测量（电容式湿度计）。湿度测量常用于空气调节系统量（电容式湿度计）。湿度测量常用于空气调节系统和呼吸系统。和呼吸系统。1 1DC CDe e2 216圆筒式液位传感器应用圆筒式液位传感器应用17若若忽忽略略边边缘缘效效应应，圆圆筒筒式式液液位位传传感感器器如如下下图图，传传感感器器的的电容量与被测液位的关系为电容量与被测液位的关系为:液位传感器液位传感器hC1CC2可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。2r12r2hx18例例:某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm和和8mm的两个同的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为，高为1.2m。被储存液体的。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解解：（体积）19二、电容式压力传感器及血压测量二、电容式压力传感器及血压测量 这种传感器采用弹性膜片作敏感元件并作这种传感器采用弹性膜片作敏感元件并作为电容器的可动极板，被测压力作用使膜片产为电容器的可动极板，被测压力作用使膜片产生挠曲变形，致极板间的极距发生变化，从而生挠曲变形，致极板间的极距发生变化，从而导致电容量的变化。导致电容量的变化。201.膜片夹紧式压力传感器膜片夹紧式压力传感器 结构见图，固定极板半径为结构见图，固定极板半径为 ,可动极板是厚可动极板是厚度为度为h的圆形膜片，其周边用绝缘体夹紧，半径也的圆形膜片，其周边用绝缘体夹紧，半径也为为 ，两者构成一个平行板型传感器。，两者构成一个平行板型传感器。21膜片膜片挠曲曲变形形时，极距，极距变化与化与r r 有关，在半径有关，在半径为r r处，选宽度度为drdr的窄的窄圆环作作为积分元，求出其分元，求出其电容量容量，再在，再在0 0r r区间内积分，便可求出压力增加时传感器的电容表区间内积分，便可求出压力增加时传感器的电容表达式。达式。22当当 时时，略去高次方项得到：，略去高次方项得到：232.2.膜片张紧式压力传感器膜片张紧式压力传感器 这种传感器与薄膜夹紧式结构类同，区别在于：这种传感器与薄膜夹紧式结构类同，区别在于：这种传感器作为可动极板的膜很薄（这种传感器作为可动极板的膜很薄（h h很小）很小）薄膜不是被绝缘体夹紧，而是张紧的薄膜不是被绝缘体夹紧，而是张紧的 24由于薄膜状态是张紧的，在压力作用下的挠曲变形为由于薄膜状态是张紧的，在压力作用下的挠曲变形为球面，对应半径为球面，对应半径为r r处的挠度可表示为：处的挠度可表示为：由于由于 ，将上式作级数展开并略去高次方项，将上式作级数展开并略去高次方项，可得挠度与压力可得挠度与压力P P的近似关系：的近似关系：25263.3.电容血压计电容血压计 动极板膜片由溶凝石英制成，膜厚为动极板膜片由溶凝石英制成，膜厚为1.25 mm1.25 mm，基座，基座厚为厚为6.4mm6.4mm，基座表面上用等离子浸蚀的方法制成，基座表面上用等离子浸蚀的方法制成10m10m深深的腔室，作为电容传感器的间距，腔室经通气孔与大气接的腔室，作为电容传感器的间距，腔室经通气孔与大气接通。膜片上两个电极，圆形的为工作电极，环形的为参比通。膜片上两个电极，圆形的为工作电极，环形的为参比电极，基座上的电极为公共电极，两者构成平行板电容传电极，基座上的电极为公共电极，两者构成平行板电容传感器。电极采用真空镀膜方法得到。感器。电极采用真空镀膜方法得到。2728 该传感器的测量电路采用运算法测试电路，该传感器的测量电路采用运算法测试电路，它是由运算放大器，电阻及电容传感器构成的电它是由运算放大器，电阻及电容传感器构成的电桥。桥。电桥平衡无输出时电桥平衡无输出时 293031 该传感器由于采该传感器由于采用熔凝石英作膜片用熔凝石英作膜片和基座材料，因此和基座材料，因此有很好的稳定性和有很好的稳定性和线性。血压测量范线性。血压测量范围在围在-4-440Kp(-340Kp(-3300mmHg)300mmHg)，温度，温度漂移为漂移为0.01%0.01%，非，非线性误差小于线性误差小于0.5%0.5%。32三、直流极化型电容传感器三、直流极化型电容传感器 特点：特点：直流恒压源供电直流恒压源供电 被测参数为交变信号。被测参数为交变信号。假设输入信号以正弦假设输入信号以正弦形式作用在可动极板上，形式作用在可动极板上，其间距变化为：其间距变化为：33电容的相容的相对变化化为:工作状工作状态取决于回路的取决于回路的时间常数常数 。可用于可用于测量力、量力、压力、位移，力、位移，还可用于成分可用于成分检测。34由于时间常数极小，电容器处于反复的充放电由于时间常数极小，电容器处于反复的充放电状态，电路以回路电流作为输出形式，处于该状态，电路以回路电流作为输出形式，处于该状态下的传感器可用于速度的检测。状态下的传感器可用于速度的检测。35应用实例应用实例电容式微音器电容式微音器 Condenser microphone Condenser microphone 电容式微音器是直流极化型电容传感器的一种典型电容式微音器是直流极化型电容传感器的一种典型应用，其结构原理图如下。应用，其结构原理图如下。36 该传感器有左、右两个接收室，测量接收室内充该传感器有左、右两个接收室，测量接收室内充有待测成分的气体，当辐射光束（参比光束）和与被有待测成分的气体，当辐射光束（参比光束）和与被测气体成分有关的测量光束通过切光片调制成交变光测气体成分有关的测量光束通过切光片调制成交变光入射到左右接收室后，被接收室中所充的待测气体吸入射到左右接收室后，被接收室中所充的待测气体吸收，使气体温度升高，由于室内体积一定，因此随温收，使气体温度升高，由于室内体积一定，因此随温度升高，内部压力增加，使薄膜片发生位移，改变电度升高，内部压力增加，使薄膜片发生位移，改变电极间距，引起电容值的改变，电容的变化与压力变化极间距，引起电容值的改变，电容的变化与压力变化相关，而压力变化与被测气体的含量有关，从而实现相关，而压力变化与被测气体的含量有关，从而实现气体成分含量检测。气体成分含量检测。该系统由于辐射光束按切光片调制频率变化，使该系统由于辐射光束按切光片调制频率变化，使可动极板也按此频率在音频范围内（可动极板也按此频率在音频范围内（3 325Hz25Hz）变化，）变化，造成传感器在气室内产生微音，故称电容式微音器。造成传感器在气室内产生微音，故称电容式微音器。37四、等效电路和测量电路四、等效电路和测量电路 1.1.等效电路等效电路 L L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：R Rs s由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C C0 0传感器本身的电容；传感器本身的电容；C Cp_p_引线电缆、所接测量电引线电缆、所接测量电 路及极板与外界所形成的总寄生电容；路及极板与外界所形成的总寄生电容；R RP P是极间等效漏是极间等效漏 电阻，它包括极板间电阻，它包括极板间 的漏电损耗和介质耗、的漏电损耗和介质耗、极板与外界间的漏电极板与外界间的漏电 损耗介质损耗，其值损耗介质损耗，其值 在制造工艺上和材料在制造工艺上和材料 选取上应保证足够大。选取上应保证足够大。38 等效电容等效电容39其中其中 为激励电源的角频率；为激励电源的角频率；为线路的谐振频率。为线路的谐振频率。由式可见，在传感器一定情况下（由式可见，在传感器一定情况下（f f0 0确定），等效电确定），等效电容与激励电源的频率有关，当频率较低时，容与激励电源的频率有关，当频率较低时，很很小，此时可将电容传感器视为纯电容考虑；当频率小，此时可将电容传感器视为纯电容考虑；当频率较高时，必须要考虑等效电容，为此要保证测量精较高时，必须要考虑等效电容，为此要保证测量精度，传感器的标定与测量要在相同条件下进行。度，传感器的标定与测量要在相同条件下进行。40 2.测量电路测量电路(1)交流电桥交流电桥 图中图中Z1为电容传感为电容传感器的阻抗，器的阻抗，Z2、Z3、Z4为固定阻抗，为固定阻抗，Ve为电源为电源电压，电压，Va为电桥输出电为电桥输出电压。压。下面讨论交流电桥的输下面讨论交流电桥的输出特性。设电桥初始平出特性。设电桥初始平衡，输出端为开路状态，衡，输出端为开路状态，则有：则有：。41 当有被测参数作用当有被测参数作用引起阻抗变化，桥路失去引起阻抗变化，桥路失去平衡产生输出电压平衡产生输出电压U U0 0 42其中：其中：桥臂比臂比传感器阻抗的相感器阻抗的相对变化量化量 桥臂系数臂系数43 4445特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线46交流电桥常用几种形式交流电桥常用几种形式47(2)(2)变压器电容电桥变压器电容电桥C2C1uo放大放大检波检波滤波滤波输出输出48 变压器电容电桥变压器电容电桥4950实际的电容传感器其分布电容的存在是必不可少的，实际的电容传感器其分布电容的存在是必不可少的，它的存在会使输出特性产生非线性。下图给出的是差它的存在会使输出特性产生非线性。下图给出的是差动电容传感器的输出特性。动电容传感器的输出特性。C CA A为分布分布电容，当容，当a=0a=0时，无分布无分布电容情况，容情况，输出特性出特性为线性；当性；当a a0 0时产生非线时产生非线性，且随性，且随a a的增大而增大，的增大而增大，并使灵敏度下降。为克服分并使灵敏度下降。为克服分布电容的影响，可采用静电布电容的影响，可采用静电屏蔽措施，如采用双屏蔽电屏蔽措施，如采用双屏蔽电缆连接，可使分布电容的影缆连接，可使分布电容的影响大大减少。响大大减少。51（3 3）差动脉冲调宽电路）差动脉冲调宽电路VD1C1C2QQABVD2FGR1R252R2双稳双稳态触态触发器发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路G53 差差动动脉脉宽宽(脉脉冲冲宽宽度度)调调制制电电路路利利用用对对传传感感器器电电容容的的充充放放电电使使电电路路输输出出脉脉冲冲的的宽宽度度随随传传感感器器电电容容量量变变化化而而变变化化。通通过过低低通通滤滤波波器器得得到到对对应应被被测测量变化的直流信号。量变化的直流信号。图中图中C1、C2为差动为差动式传感器的两个电式传感器的两个电容，若用单组式，容，若用单组式，则其中一个为固定则其中一个为固定电容，其电容值与电容，其电容值与传感器电容初始值传感器电容初始值相等；相等；A1、A2是两是两个比较器，个比较器，Ur为其为其参考电压。参考电压。R2双稳双稳态触态触发器发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路G54tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图差动脉冲调宽电路各点电压波形图U055UABAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，得到直流电压U U0 0为为 UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为 Ur触发器的参考电压。设R1R2R，则 因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。56（4 4）运算放大器电路）运算放大器电路最大特点是能够克服变极距型电容式传感器最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。的非线性。-AuoCCxu运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图57负负号号表表明明输输出出与与电电源源电电压压反反相相。显显然然，输输出出电电压压与与电电容容极极板板间间距距成成线线性性关关系系，这这就就从从原原理理上上保证了变极距型电容式传感器的线性。保证了变极距型电容式传感器的线性。这这里里是是假假设设放放大大器器开开环环放放大大倍倍数数A=A=，输输入入阻阻抗抗Z Zi i=，因因此此仍仍然然存存在在一一定定的的非非线线性性误误差差，但一般但一般A A和和Z Zi i足够大，所以这种误差很小。足够大，所以这种误差很小。58（5 5）二极管双）二极管双T T形电路形电路 电路原理如图电路原理如图(a)(a)。供电电压是幅值为供电电压是幅值为 UE E、周期为、周期为T、占空比为占空比为5050的的 方波。方波。59C1C2RLVD2VD1RRRLRRC260若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图效成典型的一阶电路，如图(b b)。其中二极管。其中二极管VDVD1 1导导通、通、VDVD2 2截止，电容截止，电容C C1 1被以极其短的时间充电、其影被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容响可不予考虑，电容C C2 2的电压初始值为的电压初始值为U UE E。根据一阶。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C C2 2的电的电流流i iC2C2如下：如下：61在在R R（RRRRL L）/（R RR RL L）C C2 2T T/2/2时时,电流电流i iC2C2的平均的平均值值I IC2C2可以写成下式：可以写成下式：62同理，负半周时电容同理，负半周时电容C C1 1的平均电流的平均电流:故在负载故在负载R RL L上产生的电压为：上产生的电压为：63电路特点：电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R R，与电容无关，克服了电容式传，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。式传感器。64三、电容传感器应用三、电容传感器应用 变极距型电容传感器在生物医学测量中的应用变极距型电容传感器在生物医学测量中的应用很多，可用于心音、脉搏、呼吸等参数的测量。很多，可用于心音、脉搏、呼吸等参数的测量。1.压力传感器压力传感器 65 电容式微音器用于气体含量测定电容式微音器用于气体含量测定2.2.电容式微音器电容式微音器663.3.差压式呼吸传感器差压式呼吸传感器67