電容式傳感器研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)摘要：電容式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種參量型傳感器，廣泛應(yīng)用于壓力、液位、位移等各種檢測(cè)中。隨著傳感器的不斷發(fā)展與成熟，電容式傳感器作為一項(xiàng)前途廣闊的新型技術(shù)，日益受到人們的重視。關(guān)鍵字：電容式傳感器工作原理測(cè)量電路應(yīng)用中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼AapacitivesensorresearchpresentsituationandthetrendJiXinyunAbstract:capacitivesensoristobemeasuredintoacapacitancechangeparametertypesensors,widelyusedinpressure,liquidlevel,displacement,etc.Variouskindsofdetection.Withthecontinuousdevelopmentofsensorandmature,thecapacitivesensorasapromisingnewtechnology,theincreasinglybroughttotheattentionofthepeople.Keywords:CapacitivesensorsWorkingprincipleMeasurementcircuitApplication0引言電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、電容量小（一般為幾十到幾百微法）、負(fù)載能力差、易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象等特點(diǎn)。傳感器是可以將非電量轉(zhuǎn)換為電量的一種器件，在通信技術(shù)中信息的捕獲方面起著非常重要的作用，而作為眾多類型傳感器中的一種，電容式傳感器有著許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用也非常廣泛。電容傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理該傳感器是一種把被測(cè)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。其最常見的結(jié)構(gòu)包括平板狀和圓筒狀，簡(jiǎn)稱平板電容器或者圓筒電容器。平板電容式傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖a所示。在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，其電容的計(jì)算公式為 A,d——兩平行板所覆蓋的面積及之間的距離；——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)；——自由空間（真空）介電常數(shù)，=。d、s、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(cè)量。因此平板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。圖（a）圓筒電容式傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖b所示。在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，其電容的計(jì)算公式為圖（b）當(dāng)被測(cè)參數(shù)或者變化時(shí)，將導(dǎo)致圓筒電容式傳感器的電容量C發(fā)生變化。因此圓筒電容式傳感器可分為變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型和變極板間覆蓋高度的變面積型兩類。【1】1.1變面積型線位移變面積型對(duì)于平板狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)被測(cè)量通過移動(dòng)極板引起兩極板有效覆蓋面積A發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致電容量變化。結(jié)構(gòu)原理圖如圖c所示。設(shè)動(dòng)極板相對(duì)于定極板的平移距離為，則電容為——初始電容；——電容的變化量。電容的相對(duì)變化量為由此可見，平板電容式傳感器的電容該變量與水平位移成線性關(guān)系。【2】圖（c）角位移變面積型角位移變面積型電容式傳感器的原理如圖d所示。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積將變?yōu)閳D中陰影部分，即，1.3變極距型（1）工作原理分析當(dāng)平板電容式傳感器的介電常數(shù)和面積為常數(shù)，初始極板間距為時(shí)，其初始電容量為測(cè)量時(shí)，一般將平板電容的一個(gè)極板固定即定極板，另一個(gè)極板與被測(cè)體相連即動(dòng)極板。如果動(dòng)極板因被測(cè)參數(shù)改變而位移，導(dǎo)致平板電容極板間距縮小，電容量增大，則有可知平板電容器間距的變化引起電容量的相對(duì)變化關(guān)系如圖g所示由圖可得即使相同的極板間距的改變，也可能引起不同的電容量的變化，因?yàn)槠桨咫娙菔絺鞲衅髟诓煌恢玫撵`敏度（曲線的斜率）是不一樣。圖（g）經(jīng)線性化除了可得電容增大量為由此可見，與為近似線性關(guān)系。非線性分析根據(jù)分析可知，變面積型電容式傳感器和變介質(zhì)型電容式傳感器的輸入量與輸出電容量間的關(guān)系均為線性，只有變極距型電容式傳感器的輸入量與輸出量間存在著非線性關(guān)系。但這是在忽略邊緣效應(yīng)下得出的結(jié)論，實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起漏電力線，使極板間電場(chǎng)分布不均勻，因此，變面積型和變介質(zhì)型電容式傳感器仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型電容式傳感器好得多。【4】變極距型電容式傳感器的靈敏度為由得在實(shí)際應(yīng)用中，為了既提高靈敏度，又減小非線性誤差，通常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，如下圖所示總上所述可知，變極距型電容式傳感器做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)后，靈敏度提高了一倍，非線性誤差因?yàn)檗D(zhuǎn)化為二次方關(guān)系而得以大大降低。2、電容傳感器的測(cè)量電路電容傳感器的特點(diǎn)：電容量小，變化更小。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測(cè)量電路，但由于電容及變化太小，不易實(shí)現(xiàn)。測(cè)量電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T形交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等，前倆個(gè)用于單個(gè)電容量變化的測(cè)量，后兩個(gè)用于差動(dòng)電容量變化的測(cè)量。2.1調(diào)頻電路振蕩頻率特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號(hào)，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。（2）具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01μm級(jí)位移變化量。（3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，進(jìn)行補(bǔ)償。2.2運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系2.3變壓式交流電橋在放大器輸入阻抗極大的情況下，輸出電壓與位移成線性關(guān)系。對(duì)于變極距型電容式傳感器2.4二極管雙T型交流電橋該測(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，無需相敏檢波和整流電路，便可得到較高的直流輸出電壓。輸出信號(hào)的上升時(shí)間取決于負(fù)載電壓，可用于測(cè)量高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在負(fù)載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關(guān)。3.電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器可以用來測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往用單極式變間隙式傳感器。近年來已采用這種方法測(cè)量油膜等物質(zhì)的厚度。可以直接測(cè)量的非電量為：直線位移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸，直線位移及角位移可以使靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的，例如是直線振動(dòng)及角振動(dòng)。3.1電容式差壓變送器實(shí)現(xiàn)了差壓－電容的轉(zhuǎn)換。如果采用脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路，容易得到電路輸出電壓與差壓成線性關(guān)系。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快（100ms），能測(cè)量微小差壓（0－0.75Pa）。3.2電容式加速度傳感器特點(diǎn)：頻率響應(yīng)快、量程范圍大3.2電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀式用來測(cè)量金屬帶材在榨汁過程中厚度的檢測(cè)儀器。金屬帶材在軋制過程中不斷前行，如果帶材厚度有變化，將導(dǎo)致上下兩個(gè)電容器的極板間距離發(fā)生改變，從而引起電容量的變化。將電容器接入相應(yīng)的測(cè)量電橋，產(chǎn)生不平衡輸出，從而對(duì)帶材厚度的質(zhì)量進(jìn)行判定。【5】電容式傳感器趨勢(shì)及結(jié)論由于電容傳感器具有抗電子干擾和反隱身性能，而應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在普通應(yīng)用場(chǎng)合，電容傳感器電極被設(shè)計(jì)成類似于普通電容電極式結(jié)構(gòu)，即電容傳感器電極具有對(duì)稱性。而在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，電極結(jié)構(gòu)和組合方式是非對(duì)稱性的，以便提高它的靈敏度。當(dāng)電容傳感器被用于近感探測(cè)定距時(shí)，它是利用電容傳感器載體接近被探測(cè)物體時(shí)，引起傳感器自身周圍電場(chǎng)的擾動(dòng)，在傳感器探測(cè)電極和目標(biāo)之間、目標(biāo)和傳感器另一電極之間出現(xiàn)電容作用，使得傳感器的等效電容發(fā)生變化，利用這個(gè)變化而實(shí)現(xiàn)定距的。傳感器電極大小和組合方式，對(duì)靈敏度和探測(cè)距離具有決定意義。電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，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。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(cè)量?jī)x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！?】當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學(xué)技術(shù)呈輻射狀廣泛滲透的當(dāng)今社會(huì)，作為現(xiàn)代科學(xué)“耳目”的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎(chǔ)，必將進(jìn)一步得到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。參考