传感器课程设计

电容式传感器
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一、电容式传感器的概述
电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。

由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

电容式传感器是一种将待测非电量转换成电容变化量的器件，具有体积小，功耗低，灵敏度高等优点，被广泛应用于加速度、角速度、压力等各种非电量的测量。

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。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、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。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

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。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

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。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。

当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。

但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

二、电容式传感器的工作原理和结构形式
2.1电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一个具有可变参量的电容器，将被测非电量变化成为电容量。

多数情况下，电容式传感器是指以空气为介质的两个平行金属极板组成的可变电容器。

由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，则它的电容量可用下式表示
C= єS/δ= є0єr S/δ①
式中
S ——极板相互遮盖面积（m2）；
δ——两平行板间距离（m）；
єr ——极板间介质的相对介电常数；
є0 ——真空的介电常数（8.85×10－12F/m）。

由式①可见，
在єr、S、δ三个参量中，只要保持其中两个不变，改变其中的一个均可使电容量C改变，这就是电容式传感器的工作原理。

所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积型；改变极板间距离的变极距型；改变极板间介质的变介质型。

2 .2电容式传感器的分类
2.2.1 固定介质变间隙电容式传感器
固定介质变间隙电容式传感器结构
2.2.2 变面积电容式传感器
变面积电容式传感器结构：
2.3 变介电常数电容式传感器
变介电常数电容式传感器结构：
三、电容式传感器的应用原理
3.1 压差式电容压力传感器
构成：膜片——动极板，一般采用不锈钢材料制作，需要加预张力。

玻璃基片上镀有金属层的球面极板，这里的球面很夸张。

球面的作用是压力过大时（过载）保护膜片，并改善系统的非线性。

后续测量电路常使用差动脉冲调宽电路。

由压差式电容压力传感器工作过程可得：
（C1-C2）/（C1+C2）=K（PH-PL）式中
C1 C2 ——电容（F）；
K ——常数，与传感器结构有关；
PH ——两球室承受的低压（Pa）；
PL ——两球室承受的高压（Pa）。

3.2 电容测厚仪
电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中的厚度的在线检测仪器。

在被测带材的上下两侧各设置一块面积相等、与带材距离相等的极板，两块用导线连接作为传感器的一个电极板。

带材本身则是电容传感器的另一个电极板。

当带材在轧制过程中的厚度发生变化时，引起电容的变化。

通过测量电路与指示仪表可显示带材的厚度。

3.3电容传声器
传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒
大多是动圈式和电容式。

电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。

3.4 电容式指纹传感器
传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。

由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。

四、电容式传感器的总结
4.1电容式传感器的优点：
(1)结构简单，适应性强
电容式传感器结构简单，易于制造，精度高;可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，
承受高压力、高冲击、过载等;能测超高压和低压差。

(2)动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量;可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。

它可用于测量高速变化的参数，如振动等。

(3)分辨率高
由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。

(4)温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。

(5)可实现非接触测量、具有平均效应
如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

4.2电容式传感器的缺点：
(1)输出阻抗高，负载能力差。

(2)寄生电容影响大。

电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容(lm~2m导线可达800 pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度;另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。

因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

为减小电缆分布电容影响，可将电子线路的前级装在离传感器敏感部分很近的地方，或采用所谓“双层屏蔽等电位传输技术”，
又称“驱动电缆”技术。

这种方法的基本思路是:连接电缆采用内外双层屏蔽，
使内屏蔽层与被屏蔽的导线电位相同，因而两者之间没有容性电流存在，这样使引线与内屏蔽之间的电缆电容不起作用，外屏蔽仍被接地而对外界电场起屏蔽作用，其原理如图5 - 15所示。

外屏蔽接地后，对地之间电容将成为1:1放大器的负载，它也与电容式传感器的电容无关。

这样无论电缆形状和位置如何变化，都不会对传感器的工作产生影响。

电容传感器的应用
4.2电容式传感器的应用
（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。

（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。

4.3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。

4.3.1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。

4.3.2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。

4.4传感器网络应用方向
4.4.1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。

4.4.2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。