电容传感器.docx

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电容传感器

电容式传感器应用和发展

一电容式传感器的基本原理

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。

它具有结构简单、灵敏度高、动态响应强、抗过载能力大及价格便宜等特点，因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。

电容器是电子技术的三大类元件（电阻、电感和电容）之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。

1、变极距型（变间隙型）电容传感器

图为变极距型电容式传感器的原理图。

当传感器的εr和A为常数，初始极距为d0时，由电容表达式可知其初始电容量C0为：

其中：

εr为介质的相对介电常数,ε0为真空介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）

变极距型电容式传感器电容量与极板间距离的关系

d0过小时，容易引起电容器击穿或短路。

为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图。

放置云母片的电容器

2、变面积型电容式传感器

图为变面积型电容传感器原理结构示意图。

当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化为

变面积型电容传感器原理图

结论：

变面积型电容传感器的输出特点为线性。

即边长b↑或间隙d↓＝＞K↑

3、变介质型电容式传感器

当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。

此类传感器的结构形式有很多种，图3-6为介质面积变化的电容式传感器。

这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。

C=CA+CB

当无ε2介质时电容量为

当插入ε2介质时，

即：

电容量C与位移x呈线性关系

二传感器运用的基本方法

1、变压器电桥

电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。

当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为

,

代入上式可得

式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。

设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有

结论：

变间隙式差动电容传感器采用变压器电桥测量电路，输出电压与位移呈线性关系。

2、运算放大器式电路

1.工作原理

由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,其特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。

图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压；Uo是输出信号电压；Σ是虚地点。

运算放大器式电路原理图

为运算放大器输出电压；为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。

特点：

（1）非线性误差小（增益和输入阻抗足够大）。

（2）需克服分布电容影响。

办法：

将电容引出线屏蔽并接地。

三、电容式传感器的行业应用

1、电容传感器在汽车行业中的应用

（1）、汽车试验用电容传感器

汽车是一种大批量生产、产品性能质量要求高、结构复杂、使用条件多变的产品，任何设计制缺陷都可能造成严重的后果。

正因为如此，汽车试验工作在汽车制造业中显得特别重要【1】。

汽车试验学包括试验方法和试验仪器设备两大因素，现代汽车试验用仪器设备通常是由传感器，放大器，信号调制装置，滤波器及数据处理设备等组成，其中传感器能否真实地反映被测物理量的全部特征，信号的传输，放大是否失真，试验结果如何表达等都是汽车试验过程必须考虑的重要问题。

【2】

传感器在汽车中的压力、液位、湿度、雨量和接近等传感器的应用中崭露头角。

除了若干例外情况之外，如压力传感器，所有容性传感器都利用金属板表面或电介质的变化来测量电容的变化。

大多电容传感器采用两种方法进行分类：

压力传感器APT是一种电容传感器，能根据所承受的压力成比例的输出线性电压。

使用专用的集成电路技术设计制造的电子信号调节器，提供了在较宽在工作温度范围内（-40到135°C）的精确、稳定的信号输出【3】。

适用压力范围可调节至5000PSI这种传感器可用于大部分汽车液压系统控制，其典型应用如下：

高压侧或低压侧空调

制动防抱死/车辆稳定性控制

引擎控制：

歧管，燃油，机油，推进和增压

变速箱

悬挂装置：

负载等级，反翻转，活动的和可调节悬挂装置

动力转向

后轮转向

电容传感器以其特有的优势正在汽车行业中应用。

利用电容原理研制的湿度传感器、雨量传感器和接近传感器已经用于多种应用，并且一些公司正在开发适应轮胎压力传感器和无钥匙汽车解决方案【4】。

2、电容感应在便携设备中的应用

电容感应是利用人体本身的电容或者导电铁笔来产生接触界面，以替代传统的机械控制。

这一技术有很多优势：

工业设计差异化、内部完全密封防水、界面寿命、允许接近探测及电容式触摸屏应用。

电容感应已经获得了广泛的工业支持。

由于当今的家电更注重产品设计而非功能设计，可以预计电容感应将应用于更广泛的家电控制领域。

电冰箱、洗碗机、灶具等等，都有独特的应用环境，向电容感应的应用提出了挑战【5】。

由于感应元件是完全密封在没有运动部件的表面下面，喷溅在控制面板上的液体不会损坏系统，并很容易被清除。

对于汽车和白色家电，由于更新速度不像消费电子产品那么快，所以对控制界面的寿命提出了较高的要求。

电容感应很适合这两类产品的需要。

由于没有机械运动部件，也就没有了磨损。

从第一次到每一次触摸，电容感应都是十分完美的。

四、电容式传感器的应用

1、电容式压力传感器

差动式电容压力传感器结构图

2、电容式物位传感器（物位计）

根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的电容C与Lx成正比：

3、电容式加速度传感器

差动式电容加速度传感器结构图

4、差动式电容测厚传感器

电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。

把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。

下图为测量厚度的电容测厚仪原理图。

在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板2，这样极板与带材就形成了两个电容器。

把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电容Cx＝C1+C2=2C。

如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化。

用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由电容测厚仪显示出带材厚度的变化。

五、传感器在具体工程中的应用

利用电容式传感器,设计一个高精度位移测量系统,对机床主轴的热变形量进行非接触式测量。

根据被测对象的特点,阐明了系统的工作原理和数据的处理方法,分析了影响传感器测量精度、稳定性的因素,提出了利用电子学技术和数字信号滤波技术提高传感器精度的技术手段,为机床主轴热变形的高精度、非接触式测量提供了一种技术途径。

经长时间实验分析和系统标定,测量系统的精度可达到纳米级,线性度较好,满足了精密机床加工中对主轴热变形特性提取的要求,为电容式位移传感器在类似非接触式、高精度测量中的应用提供了有意义的参考。

　随着我国生产自动化的飞速发展和精密加工技术的广泛应用,对数控机床的精度提出了越来越高的要求。

热误差是由于机床温度升高导致机床部件变形或膨胀而引起的工件和刀具之间的相对位移。

机床不同部件之间的相对运动在部件接触区产生了大量的热,正是产生的热导致了机床部件的变形[6]。

热误差在机床总体误差中占40%～70%[7]。

而主轴的起机床热变形误差的重因素。

因此如何快速、准确、简便的测量机床主轴的热变形量是国内研究的焦点之一,主轴的热特性分析对提高和保证机床的精度至关重要[8-12]。

本文以某型机床主轴为研究对象,构建了一个基于TMS320F2812热变形测量系统,利用电容位移传感器测出了主轴各个方向的热变形,采用温度传感器测量主轴箱体的温度。

计算出了主轴的温度和热变形,对实验值与计算值进行了比较,为加工中心的改进设计、温度控制和误差补偿提供了理论依据。

1　位移测量系统的设计

1）、　系统的组成

该测试系统主要包括主轴部件测试试验台、高精度电容位移传感器CapaNCDT6100、数据采集仪、TI公司的高速数字信号处理器TMS320F2812[11]、微型计算机以及其他附属装置和测试软件等。

以高性能DSP处理器和计算机为基础,外接多通道数据采集仪,在底层控制程序和数据采集软件支持下,主轴热变形的数据采集、数据处理和结果显示都在计算机控制下完成[13]。

位移测量系统的总体结构如1图所示:

图1　测量系统的基本结构图

2）、　系统的工作原理

热变形误差测量主要包括两个方面的内容:

一是测量数控机床上若干测温关键点的温升;二是,测量主轴在x、y、z三个方向上的漂移量,及时对机床误差的测量[7]。

合理正确的选择温度测点有利于我们进行建模工作。

采用16个温度传感器测量机床温度。

利用5个CapaNCDT6100电容式位移传感器测量机床主轴芯棒热变形,其高超的机械加工精度及完美的信号屏蔽措施可达到纳米级的精度[14]。

试验装置实物图及位移传感器方向如图2所示,如此排列传感器1、2

可以测量y方向的两组数据、3、4可以用来检测x方向的两组数据,5用来检测z方向一组数据。

传感器1～4的放置在通过主轴的直径所在平面,传感器5与机床主轴同轴,这样放置即可测量出各方向上的位移移动量。

该装置能够实现在线测量,位移传感器被安装在特制的夹具上。

图2　测试装置实物图及位移传感器方向如图2所示,如此排列传感器1、2可以测量y方向的两组数据、3、4可以用来检测x方向的两组数据,5用来检测z方向一组数据。

传感器1～4的放置在通过主轴的直径所在平面,传感器5与机床主轴同轴,这样放置即可测量出各方向上的位移移动量。

该装置能够实现在线测量,位移传感器被安装在特制的夹具上。

图2　测试装置实物图及方向

3）、　电容传感电路的设计

电容传感电路本身存在噪声和零点缓慢漂移,这些会引起传感器测量误差;若供电桥源有微小的波动,经放大电路放大后就会对输出信号造成直接影响。

由桥源失调造成的误差对测量结果最严重可到2%～20%,这在高精度应用领域是不能允许的。

针对以上问题,研究了无桥源影响的应变电桥电路和滤除噪声的应变电桥电路[15]。

变极距型电容式传感器工作时传感器探头犹如一个电极,被测量物体犹如一个相对电极。

当可动电极随被测量变化而移动时,使两极板间距变化,从而使电容量变化,其电容变化量ΔC为:

ΔC=Εs\（δ-Δδ）-εS\δ=C0Δδ\δ-Δδ

（1）

S为极板相对覆盖面积,δ为极板间距离,ε为电容极板间介质的介电常数。

C0为极距为δ时的

初始电容量。

由于电容变化值非常微小,必须设置专用的测量电路,将微小的电容变化值转换成与其成比例的电压信号。

将电容传感器接入交流电桥的一个臂,另一个臂为可调电阻箱和电容箱,另两个臂为固定电阻。

交流电桥电路如图3所示。

交流电桥由等幅正弦激励电压源信号U=Um·sinωt作为载波,驱动电桥电路。

2、　改进措施

根据以上对误差来源的分析可针对性的来改进,进而提高精度。

（1）通过高精度的标定可以提高测量的准确性;

（2）温湿度的变化改变空气的介电常数的情况,可以通过引入修正量来减少误差,例如增加湿度传感器检测湿度变化,将不同温湿度下的空气介电常数做成一个表置于DSP中,通过查表得到当前温度下的介电常数再用于计算;针对外部环境带来误差可以通过提高实验环境的办法改善,例如:

减少周围振源或使用差动的方法来降低振动的影响,做好实验室的电磁屏蔽等等;

（3）针对电路损耗,可以通过使用高性能的集成芯片代替分离元件,做好电路的屏蔽保护,采用光电隔离等方法减少后级电路对前级放大处理电路的影响。

（4）同时,电容传感电路本身存在非线性误差,尽量采用差动式电容传感器,可减小非线性误差,也减小寄生电容的影响和温度、湿度等其他环境因素导致的测量误差。

（5）也可采用软件算法消除非线性误差。

将公式关系直接输入LabVIEW软件,求得实际的应变值。

该方法直接从公式中消除了单臂电桥应变时的非线性误差问题,且充分利用了计算机资源,减少了硬件使用,从而节约了成本,提高了经济效益。

3、结论

采用高精度电容位移传感器设计的测量系统,在机床主轴热变形实验中,实时的测出了主轴的热变形,利用线性回归分析法证实了本系统的高精度,可达纳米级。

对主轴的热误差补偿提供了一定的理论基础。

并对电容传感电路的线性度提高给予理论分析。

由于有系统误差的存在,精度还可以再提高,因此还有许多工作值得进行。

本系统简单可行,易于操作,便于企业推广使用。

六、传感器的发展趋势

关于电容传感器的发展趋势，我想谈谈利用电容传感器发明的第二代指纹识别系统这一最新发明，以及其应用发展前景。

电容传感器始于1998年，属于半导体传感器的一种，半导体指纹传感器还包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等，其中，应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。

其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。

当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为嵴是凸起的峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。

然后利用放电电流进行放电。

因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同[16-17]。

嵴下的像素（电容量高）放电较慢，而处于峪下的像素（电容量低）放电较快。

根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。

由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像（如手指压得较轻的区域）也能被有效检测到，并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。

电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。

其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，达到手指皮肤的活体层（真皮层），直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。

电容指纹传感器因制造工艺复杂，单位面积上传感单元多，包含高端的，IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等，所以电容指纹传感器几乎全部是由，IC技术发达的国家或地区，如美国、欧洲、台湾等地设计、制造的。

目前国内厂家基本上没有能力生产电容指纹传感器。

各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品，技术新颖且先进的首推瑞典ingerprintCard公司推出的FPC1011C，是一种电容式面装指纹传感器。

该传感器采用了多项专利，如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。

内部具有A/D转换，高的SPI接口，8PIN的软排线可以方便的接入各种系统。

该技术能适应各种复杂指纹，并能在各种环境下获得从干手指到湿手指的高质量指纹图像，从而显著降低指纹识别系统误识率、拒识率。

随着指纹识别技术的不断发展，质量高、功耗低、体积小的电容传感器传感器作为便携式产品极其重要的指纹图像采集手段，应用日益广泛，其市场规模以惊人速度飞速拓展。

2003年11月，美国Frost&Sul，Uvan发布的指纹传感器市场调查结果表明：

目前，在面向身份认证的指纹传感器中，传统型光学传感器占一定优势，受电容传感器技术进步和价格下降等因素的影响，电容传感器的份额将逐渐增加，成为指纹采集技术的主流。

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