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: with the development of science and technology, measurement technology of capacitor has made great progress, it is not only widely used in vibration, displacement, angle, acceleration and other mechanical quantity measurement precision, but also gradually expand the application, and pressure, differential pressure, liquid level, level, content and other aspects of measurement. The capacitive sensor has the advantages of simple structure, small volume, high resolution, a series of advantages of non- contact measurement, so the capacitive sensors in various fields have been widely used, and continue to develop in the market. Since the late 70's, with the development of integrated circuit technology, the measuring instrument and micro encapsulated in capacitive sensor. The new sensor can make the effect of distributed capacitance is reduced, the inherent disadvantages are overcome. The capacitive sensor is awide range of sensors, has great development potential.

Keywords: capacitive sensor, application and development

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，