傳感器課程設(shè)計(jì)-- 電容式傳感器

1、<p><b>　　電容式傳感器</b></p><p>　　一、電容式傳感器的概述</p><p>　　電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領(lǐng)域。

2、60;</p><p>　　電容式傳感器是一種將待測非電量轉(zhuǎn)換成電容變化量的器件，具有體積小，功耗低，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加速度、角速度、壓力等各種非電量的測量。把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見圖）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εA／δ，式中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極

3、互相覆蓋的有效面積,δ為兩電極之間的距離。δ、A、ε 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。</p><p>　　電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格便

4、宜，靈敏度高,過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。70年代末以來,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?lt;/p><p>　　典型的電容式傳感

5、器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時(shí)，薄膜會(huì)發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。</p><p>　　二、電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　2.1電容式傳感器的工作原理 </p&g

6、t;<p>　　電容式傳感器是一個(gè)具有可變參量的電容器，將被測非電量變化成為電容量。多數(shù)情況下，電容式傳感器是指以空氣為介質(zhì)的兩個(gè)平行金屬極板組成的可變電容器。 </p><p>　　由兩平行極板組成一個(gè)電容器，若忽略其邊緣效應(yīng)，則它的電容量可用下式表示 </p><p>　　C= ?S/δ= ?0?r S/δ ①&

7、lt;/p><p><b>　　式中  </b></p><p>　　S ——極板相互遮蓋面積（m2）； </p><p>　　δ——兩平行板間距離（m）； </p><p>　　?r ——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； </p><p&g

8、t;　　?0 ——真空的介電常數(shù)（8.85×10－12F/m）。 </p><p><b>　　由式①可見，</b></p><p>　　在?r、S、δ三個(gè)參量中，只要保持其中兩個(gè)不變，改變其中的一個(gè)均可使電容量C改變，這就是電容式傳感器的工作原理。所以電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板面積的變面積型；改變極板間距離的變極距型；改變極

9、板間介質(zhì)的變介質(zhì)型。</p><p>　　2 .2電容式傳感器的分類 </p><p>　　2.2.1 固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器 ?</p><p>　　固定介質(zhì)變間隙電容式傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2  變面積電容式傳感器 ?</p><

10、;p>　　變面積電容式傳感器結(jié)構(gòu)：</p><p>　　2.3  變介電常數(shù)電容式傳感器 ?</p><p>　　變介電常數(shù)電容式傳感器結(jié)構(gòu)：</p><p>　　三、電容式傳感器的應(yīng)用 原理</p><p>　　3.1  壓差式電容壓力傳感器 </p>

11、<p>　　構(gòu)成：膜片——?jiǎng)訕O板，一般采用不銹鋼材料制作，需要加預(yù)張力。玻璃基片上鍍有金屬層的球面極板，這里的球面很夸張。球面的作用是壓力過大時(shí)（過載）保護(hù)膜片，并改善系統(tǒng)的非線性。后續(xù)測量電路常使用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路。</p><p>　　由壓差式電容壓力傳感器工作過程可得： </p><p>　?。–1-C2）/（C1+C2）=K（PH-PL）

12、 式中   </p><p>　　C1  C2  ——電容（F）； </p><p>　　K     ——常數(shù)，與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)； </p><p>　　PH     

13、;    ——兩球室承受的低壓（Pa）；</p><p>　　PL         ——兩球室承受的高壓（Pa）。</p><p>　　3.2  電容測厚儀 </p><p>　　電容式測厚儀是用于測量金屬帶

14、材在軋制過程中的厚度的在線檢測儀器。 </p><p>　　在被測帶材的上下兩側(cè)各設(shè)置一塊面積相等、與帶材距離相等的 極板，兩塊用導(dǎo)線連接作為傳感器的一個(gè)電極板。帶材本身則是電容 傳感器的另一個(gè)電極板。當(dāng)帶材在軋制過程中的厚度發(fā)生變化時(shí)，引起電容的變化。通過測量電路與指示儀表可顯示帶材的厚度。</p><p><b>　　3.3電容傳聲器</b

15、></p><p>　　傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒</p><p>　　大多是動(dòng)圈式和電容式。 </p><p>　　電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。</p><p>　　3.4 電容式指紋傳感器</p><p>　　

16、傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同,測量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。</p><p>　　四、電容式傳感器的總結(jié)</p><p>　　4.1電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：</p>

17、<p>　　結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，精度高;可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等;能測超高壓和低壓差。</p><p><b>　　動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 </b></p><

18、p>　　電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測量;可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等</p><p><b>　　。</b></p><p>　　分辨率高 由于傳感器的帶電極板間的引力極小

19、，需要輸入能量低，所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題，如測量極小的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。</p><p>　　溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。</p><p>　　可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效

20、應(yīng)如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測量的影響。 不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象;寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜

21、電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。 </p><p>　　4.2電容式傳感器的缺點(diǎn)：</p><p>　　(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差。</p><p>　　(2)寄生電容影響大。</p><p>

22、;　　電容式傳感器的初始電容量很小,而傳感器的引線電纜電容(lm~2m導(dǎo)線可達(dá)800 pF)、測 量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降 低了傳感器的靈敏度;另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn) 定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對(duì) 電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。</p><p>　　為

23、減小電纜分布電容影響，可將電子線 路的前級(jí)裝在離傳感器敏感部分很近的地 方，或采用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)”，</p><p>　　又稱“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。這種方法的基本思路 是:連接電纜采用內(nèi)外雙層屏蔽，使內(nèi)屏蔽層 與被屏蔽的導(dǎo)線電位相同，因而兩者之間沒 有容性電流存在，這樣使引線與內(nèi)屏蔽之間 的電纜電容不起作用，外屏蔽仍被接地而對(duì) 外界電場起屏蔽作用，其原理如圖5 - 15所 示。外屏蔽接地后，對(duì)地之間電容

24、將成為1:1放大器的負(fù)載，它也與電容式傳感器的電 容無關(guān)。這樣無論電纜形狀和位置如何變化，都不會(huì)對(duì)傳感器的工作產(chǎn)生影響。</p><p><b>　　電容傳感器的應(yīng)用</b></p><p>　　4.2電容式傳感器的應(yīng)用</p><p>　?。?）電容式傳感器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 </p><p>　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，

25、長期以來，糧食水分檢測一直依靠手搓、嘴咬、眼觀為主要的判別方法，人為影響很大。但是國家在糧食收購過程中開始推行收購統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，其中就包括糧食水分檢測的標(biāo)準(zhǔn)化，因此設(shè)計(jì)一套糧食水分快速檢測儀是十分必要的。 </p><p>　　傳統(tǒng)的電烘箱恒重法是利用電阻爐加熱并根據(jù)失去的質(zhì)量來測量糧食的含水量，因此可以實(shí)現(xiàn)糧食水分的在線測量，并可以作為其它水分儀標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)裝置。但它是一種間歇式的測量裝置，測量周期較

26、長，大約需要.40S，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食水分的連續(xù)測量，不利于提高控制指標(biāo)。在研究了糧食的導(dǎo)電浴盆效應(yīng)的基礎(chǔ)上提出了用電容式傳感器測量糧食的水分。這種方法把糧食作為電介質(zhì)，通過測量糧食的介電常數(shù)來測量糧食的含水量。由于用電容式傳感器測量電容時(shí)，在電容兩端還有一個(gè)并聯(lián)的電導(dǎo)成分，因此總的變化是由電容（C）與電導(dǎo)（G）的比值來反映的，又由于C/G的值與相角有確定的函數(shù)關(guān)系，因此只要測量出相角的值即可以測量出水分的含量。用這種方法設(shè)計(jì)出的測量裝置

27、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并可以連續(xù)的在線測量。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)中采用電容式傳感器作為測量器件。該傳感器是根據(jù)變介質(zhì)型電容式傳感器設(shè)計(jì)的。被測糧食放入電容式傳感器兩極板間時(shí)，由于糧食的含水量不同，從而使電容式傳感器的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，即引起了電容值變化。在電容式傳感器一端施加一個(gè)正弦高頻激勵(lì)信號(hào)，則在其輸出端必然產(chǎn)生一個(gè)衰減響應(yīng)，而且，激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)是同頻的，只是相位發(fā)生了平移，通過測量相角即

28、可求得電容與電導(dǎo)的比值，從而測出糧食的含水量。由于所測的糧食為顆粒形狀，其裝入容器中存在許多氣隙，因而其介電常數(shù)較小，但其傳感器的極板有效面積不能太小，因此本系統(tǒng)的電容式傳感器采用同軸的圓筒型電容式傳感器。采用圓筒型電容式傳感器的另一目的是它的電極是非對(duì)稱的，即內(nèi)極板被外極板所包絡(luò)，這樣可以十分有效地抑制人體感應(yīng)。</p><p>　?。?）電容式傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用 </p><p

29、>　　飲料包裝中產(chǎn)品凈含量是否達(dá)標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。雖然在飲料灌注機(jī)上使用精確流量計(jì)來滿足定量灌裝的要求,但灌注機(jī)長期高速運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致灌注機(jī)件磨損或噴管堵塞,從而造成灌注的實(shí)際值和設(shè)定值有偏差;有些含氣飲料剛灌注好時(shí)會(huì)有大量泡沫存在,如果瓶蓋沒蓋嚴(yán),飲料將會(huì)溢出,從而導(dǎo)致飲料實(shí)際含量偏低。所以,在實(shí)際生產(chǎn)中,飲料灌裝好后要用液位檢測儀實(shí)時(shí)檢測瓶子的液位。 </p><p>　　目前,飲料包裝

30、中的液位檢測方法主要有射線、紅外線、光學(xué)、紅外熱成像以及聲波等,但這些方法都有一定的缺陷。為了能夠快速精確地檢測液位,需要設(shè)計(jì)出一套測量精度高、速度快、造價(jià)低、維護(hù)容易的液位檢測設(shè)備,而且這個(gè)設(shè)備對(duì)被測對(duì)象沒有過多要求,對(duì)人體沒有傷害,電容式液位檢測裝置可以滿足上述要求。 </p><p>　　以玻璃瓶裝飲料為例,電容傳感器的兩塊電極放置在瓶頸兩側(cè),電極與瓶頸之間留有一定的間距,以免瓶子在輸送帶上運(yùn)行時(shí)

31、碰撞到電極,電極的高度以液位在電極的檢測范圍內(nèi)為宜。兩電極間有三種介質(zhì),分別是水,玻璃和空氣。已知飲料(水) 為極性電介質(zhì),其相對(duì)介電常數(shù)為81 ,玻璃和空氣屬非極性電介質(zhì),介電常數(shù)分別為2. 2 和1 。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣和玻璃的介電常數(shù),所以瓶中液位的變化將明顯改變檢測電極的電容。當(dāng)液位增加時(shí),電容增大,液位降低時(shí),電容減小。為了檢測電容的變化,把傳感器電容C和固定電阻R&#

32、160;串聯(lián)起來,接在高頻信號(hào)源上。高頻振蕩源產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波, 信號(hào)回路的阻抗為R+1/JWC,當(dāng)電容增大時(shí), 電路阻抗降低, 流過R 上的電流I增大, R 上的電壓U增大。把R 上的電壓U放大、整流、濾波后就可以得到穩(wěn)定的直流電壓輸出,通過和給定的電壓值進(jìn)行比教就可以看出是不是合格。</p><p>　　4.3傳感器的發(fā)展前景 &

33、lt;/p><p>　　電容式傳感器有著巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對(duì)21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測等等。 </p><p><b>　　4.3.1微型化 </b></p><p>　　為了能夠與信息時(shí)代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強(qiáng)

34、的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)保持一致，對(duì)于傳感器性能指標(biāo)（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來越嚴(yán)格；與此同時(shí)，傳感器系統(tǒng)的操作友好性亦被提上了議事日程，因此還要求傳感器必須配有標(biāo)準(zhǔn)的輸出模式；而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構(gòu)成，具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。 </p><p><b>　　4

35、.3.2智能化 </b></p><p>　　隨著微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，電容式傳感器技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專用的微處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起。由于微處理器具有計(jì)算與邏輯判斷功能，故可以方便地對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶、比較分析。</p><p>　　4.4傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方向 </p>

36、;<p>　　4.4.1軍事應(yīng)用 </p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)研究最早起源于軍事領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有海洋聲納監(jiān)測的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)，也有監(jiān)測地面物體的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通過飛機(jī)撒播、特種炮彈發(fā)射等手段，可以將大量便宜的傳感器密集地撒布于人員不便于到達(dá)的觀察區(qū)域如敵方陣地內(nèi)，收集到有用的微觀數(shù)據(jù)；在一部分傳感器因?yàn)樵馄茐牡仍蚴r(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為整傳感器網(wǎng)絡(luò)體仍能完成觀

37、察任務(wù)。 </p><p>　　4.4.2環(huán)境應(yīng)用 </p><p>　　應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有部署簡單、便宜、長期不需更換電池、無需派人現(xiàn)場維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素，為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測提供了嶄新的途徑傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)有很多的實(shí)例。這些應(yīng)用實(shí)例包括：對(duì)海島鳥類生活規(guī)律的觀測；氣象現(xiàn)象的觀測和天氣預(yù)報(bào)；森林火