电容传感器论文

自动检测技术论文
论文名称：电容传感器的应用与发展系别班级：
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摘要
电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

关键字： 传感器 测量 应用
引言：用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。

通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。

力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。

另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求。

1电容传感器的工作原理
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。

因此电容式传感器的基本工作原理可以用图1所示的平板电容器来说明。

当忽略边缘效应时．平板电容器的电容为
d A
d A
C r 0εεε==
图1 平板电容器
A ——极板面积；
d ——极板间距离；
r ε——相对介电常数；
0ε——真空介电常数11201085.8--⨯=Fm ε；
ε——电容极板介质的介电常数。

由上式可知，当d 、A 和r ε中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C 。

C 的变化，在交流工作时，就改变了容抗C X ，从而使输出电压或电流变化。

d 和
A 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化；r ε的变化，则可反映液面的高度、材料的温度等的变化。

2电容式传感器的类型及特性
2.1变间隙式电容式传感器
从上述可知，减小极间距离能提高灵敏度，但又容易引起击穿，为此，经常在两极片间再加一层云母或塑料膜来改善电容器的耐压性能，如图2所示，这就构成了平行极板间有固定介质和可变空气隙的电容式传感器。

图2 具有固体介质的变间隙电容式传感器
设极板面积为A ，空气隙为1d ，固体介质(设为云母)的厚度为2d ，则电容C 为
22110//εεεd d A
C +=
式中1ε和2ε分别是厚度为1d 和2d 的介质的相对介电常数。

因1d 为空气隙，所以11=ε。

上式可简化成
2210/εεd d A
C +=
如果气隙1d 减小了1d ∆，电容将增大C ∆，因此电容变为
22110/εεd d d A
C C +∆-=∆+
2.2变面积式电容式感器
图3是一直线位移电容式传感器的原理图
图3 直线位移电容式传感器
当动极板移动x ∆后，面积A 就改变，也随之而变。

其值为(忽略边缘效应) x d b C d
x a b C x ∆-=∆-=εε0)
( a x C x d b C C C x ∆-=∆-
=-=∆0
0ε（5—18） 灵敏度n S 为
d b x C S n ε=∆∆-= 由上式可见．变面积电容式传感器的输出特性是线性的，灵敏度n S 为一常数。

增大极板边长b ，减小间隙d 可以提高灵敏度。

但极板的另一边长a 不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。

2.3变介电常数的电容式传感器
这种电容式传感器结构形式有很多种。

图4中绘出了另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器。

设电容的极板面积为A ，间隙为a 当有一厚度为d 、相对介电常数为r ε的固体电介质通过极板间的间隙时，电容器的电容为
r d d a A
C εε/0+-=
图4 变介电常数的电容式传感器
若固体介质的相对介电常数增加r ε∆ (例如湿度增高)时，由上式可知，电容也相应增加C ∆
[]
)/(0r r d d a A C C εεε∆++-=∆+ 电容相对变化为
)
/(1132r r r r N N C C εεεε∆+∆=∆ []
d d a N r /)(112-+=ε [])(/11
3d a d N r -+=ε
上式表明，2N 和3
N 的值与间隙比)/(d a d -有关，)/(d a d -愈大，则灵敏度
愈高，非线性度愈小。

2N 和3N 的值又与固体介质的相对介电常数r ε有关。

3电容式传感器的测量电路
电容式传感器的电容值十分微小，必须借助于信号调节电路将这微小电容的增量转换成与其成正比的电压、电流或频率，这样才可以显示、记录以及传输。

3.1 运算放大器式电路
这种电路的最大特点，是能够克服变间隙电容式传感器的非线性而使其输出
电压与输入位移(间距变化)有线性关系。

图5为这种线路的原理图。

x C 为传感器
电容。

图5 运算放大器式电路
现在来求输出电压U 与传感器电容x C 之间的关系。

由00=U ，0=I ，则有
⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫-=-=-=x o x x o i I I I C j U I C j
U ωω1100 解上式得
x
o i o C C U U -= 而d A C x /ε=，将其代入上式，得
d A
C U U e i o ω-= 由上式可知，输出电压o
U 与极板间距d 成线性关系，这就从原理上解决了
变间隙的电容式传感器特性的非线性问题。

这里是假设∞=K ，输入阻抗∞=i z ，
因此仍然存在一定非线性误差，但在K 和i z 足够大时，这种误差相当小。

3.2 电桥电路
如图6所示为电容式传感器的电桥测量电路。

一般传感器包括在电桥内。

用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号。

从图6（a ）可以看出平衡条件为
2
12211211d d d C C C z z z +=+=+
此处1C 和2C 组成差动电容，1d 和2d 为相应的间隙。

若中心电极移动了d ∆，电桥重新平衡时有
2
11'212z z z d d d d +=+∆+ 因此 2
111'21)(z z z z d d d +-+=∆
图6 电桥测量电路
(a)电路原理图 (b)变压器电桥线路
21z z +通常设计成一线性分压器，分压系数在01=z 时为0．而在02=z 时为1，于是))((21d d a b d +-=∆，其中a 、b 分别为位移前后的分压系数。

分压器原则上用电阻、电感或电容制作均可。

由于电感技术的发展，用变压器电桥能够获得精度较高而且长期稳定的分压系数。

用于测量小位移的变压器电桥线路如图6(b)所示。

3.3调频电路
电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。

图7 调频电路方框图
调频接收系统可以分为直接放大式调频和外差式调频两种类型。

外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗干扰性能优于直接放大式调频。

图5—17(a)和(b)分别表示这两种调频系统。

用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点：①抗外来干扰能力强；②特性稳定；③能取得高电平的直流信号(伏特数量级)。

4电容传感器的应用
4.1电容式传感器在农业上的应用
在农业生产中，长期以来，粮食水分检测一直依靠手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，人为影响很大。

但是国家在粮食收购过程中开始推行收购统一化、标准化，其中就包括粮食水分检测的标准化，因此设计一套粮食水分快速检测仪是十分必要的。

传统的电烘箱恒重法是利用电阻炉加热并根据失去的质量来测量粮食的含水量，因此可以实现粮食水分的在线测量，并可以作为其它水分仪标定的标准装置。

但它是一种间歇式的测量装置，测量周期较长，大约需要.40S，不能实现对粮食水分的连续测量，不利于提高控制指标。

在研究了粮食的导电浴盆效应的基础上提出了用电容式传感器测量粮食的水分。

这种方法把粮食作为电介质，通过测量粮食的介电常数来测量粮食的含水量。

由于用电容式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的电导成分，因此总的变化是由电容（C）与电导（G）的比值来反映的，又由于C/G的值与相角有确定的函数关系，因此只要测量出相角的值即可以测量出水分的含量。

用这种方法设计出的测量装置结构简单、成本低，并可以连续的在线测量。

在设计中采用电容式传感器作为测量器件。

该传感器是根据变介质型电容式传感器设计的。

被测粮食放入电容式传感器两极板间时，由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。

在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位发生了平移，通过测量相角即可求得电容与电导的比值，从而测出粮食的含水量。

由于所测的粮食为颗粒形状，其装入容器中存在许多气隙，因而其介电常数较小，但其传感器的极板有效面积不能太小，因此本系统的电容式传感器采用同轴的圆筒型电容式传感器。

采用圆筒型电容式传感器的另一目的是它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人体感应。

4.2电容式传感器在工业上的应用
饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的一个重要指标。

虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求,但灌注机长期高速运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞,从而造成灌注的实际值和设定值有偏差;有些含气饮料刚灌注好时会有大量泡沫存在,如果瓶盖没盖严,饮料将会溢出,从而导致饮料实际含量偏低。

所以,在实际生产中,饮料灌装好后要用液位检测仪实时检测瓶子的液位。

目前,饮料包装中的液位检测方法主要有射线、红外线、光学、红外热成像以及声波等,但这些方法都有一定的缺陷。

为了能够快速精确地检测液位,需要设计出一套测量精度高、速度快、造价低、维护容易的液位检测设备,而且这个设备对被测对象没有过多要求,对人体没有伤害,电容式液位检测装置可以满足上述要求。

以玻璃瓶装饮料为例,电容传感器的两块电极放置在瓶颈两侧,电极与瓶颈之间留有一定的间距,以免瓶子在输送带上运行时碰撞到电极,电极的高度以液位在电极的检测范围内为宜。

两电极间有三种介质,分别是水,玻璃和空气。

已知饮料(水) 为极性电介质,其相对介电常数为81 ,玻璃和空气属非极性电介质,介电常数分别为2. 2 和1 。

由于水的介电常数远大于空气和玻璃的介电常数,所以瓶中液位的变化将明显改变检测电极的电容。

当液位增加时,电容增大,液位降低时,电容减小。

为了检测电容的变化,把传感器电容C和固定电阻R 串联起来,接在高频信号源上。

高频振荡源产生稳定的正弦波, 信号回路的阻抗为R+1/JWC,当电容增大时, 电路阻抗降低, 流过R 上的电流I增大, R 上的电压U增大。

把R 上的电压U放大、整流、滤波后就可以得到稳定的直流电压输出,通过和给定的电压值进行比教就可以看出是不是合格。

5 传感器的发展前景
电容式传感器有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。

已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。

5.1微型化
为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往
很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。

5.2智能化
随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。

由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析。

5.3传感器网络应用方向
5.3.1军事应用
传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。

现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。

5.3.2环境应用
应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。

通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。

这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等
自动检测技术论文
参考文献：
[1]张白莉电容式传感器的应用和发展机械工业出版[M]2009-6
[2]马西秦自动检测技术机械工业出版社[M]2008-9
[3]丁英丽传感器技术机械工业出版社[M] 2003
[4]中国工控展览网. 传感器的发展前景
[5]郭银景康景利杨阳唐富微变电容式传感器的设计与应用
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