電容傳感器

電容傳感器的寫法

電容傳感器介紹

電容傳感器從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5μm數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01μm，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，量程為100±5μm，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。

原理

引言用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5μm數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01μm，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，量程為100±5μm，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：(1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過100[%]；(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí)；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)幅射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。2原理及應(yīng)用電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，該電容器的電容量為：如果其中一塊板極相對(duì)另一極板轉(zhuǎn)過θ角，則極板間的相互遮蓋面積為：可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測(cè)量角位移。圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0＝ab，當(dāng)2塊極板相對(duì)位移x時(shí)，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時(shí)，電容量分別為：可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測(cè)量各類線位移。圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得：比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了n倍。



2.2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測(cè)液位的高度，圖2(b)常用來檢測(cè)片狀材料的厚度和介電常數(shù)。



圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩極，假定部分浸入被測(cè)量液體中（液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測(cè)量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容C1和空氣介質(zhì)部分電容C2兩部分組成：x—電容器浸入液體中的深度；R—同心圓電極的外半徑；r—同心圓電極的內(nèi)半徑；ε1—被測(cè)液體的介電常數(shù)；ε2—空氣的介電常數(shù)。當(dāng)容器的尺寸和被測(cè)介質(zhì)確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數(shù)，令：這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。圖2(b)是在一個(gè)固定電容器的極板之間放入被測(cè)片狀材料，則他的電容量為：式中：S—電容器的遮蓋面積；d1—被測(cè)物體上側(cè)至電極之間的距離；d2—被測(cè)物體的厚度；d3—被測(cè)物體下側(cè)至電極之間的距離；ε1—被測(cè)物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε2—被測(cè)物體的介電常數(shù)；ε3—被測(cè)物體下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。由于d1+d3=d-d2，且當(dāng)ε1＝ε3時(shí)，式（5）還可寫為：式中d—兩極板之間的距離。顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測(cè)物體上下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)ε1和ε3確定時(shí)，電容量的大小就和被測(cè)材料的厚度d2及介電常數(shù)ε2有關(guān)。如被測(cè)材料介電常數(shù)ε2已知，就可以測(cè)量等厚教材料的厚度d2；或者被測(cè)材料的厚度d2已知，就可測(cè)量其介電常數(shù)ε2。這就是電容式測(cè)厚儀和電容式介電常數(shù)測(cè)量?jī)x的工作原理。3改變極板間距離的電容傳感器圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構(gòu)成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測(cè)物體相連的活動(dòng)極板，可上下移動(dòng)。當(dāng)極板間的遮蓋面積為S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，初始極板間距為d0時(shí)，則初始電容C0為：

當(dāng)活動(dòng)極板1在被測(cè)物體的作用下向固定極板2位移Δd時(shí)，此時(shí)電容C為：當(dāng)電容器的活動(dòng)極板1移動(dòng)極小時(shí)，即Δd<

優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)測(cè)量范圍大

其相對(duì)變化率可超過100[%]；

(2)靈敏度高

如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí)；

(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快

因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；

(4)穩(wěn)定性好

由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。

油液的污染形式通常是金屬磨粒、氧化物、油泥、結(jié)碳、水分、沉淀物、燃油以及氫、氯、熱、電、空氣等造成的污染。油液污染后其物理或化學(xué)性能都會(huì)生變化，根據(jù)介電常數(shù)的變化，便可綜合測(cè)定在用油的總體污染程度和質(zhì)量。

應(yīng)用

過去,由于被認(rèn)為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴(yán)格等特點(diǎn),電容傳感器很少用于汽車電子之中。但另一方面,它們也具有生產(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡(jiǎn)單、功耗低等特性,從而推動(dòng)了它們的應(yīng)用。如今,一種新型測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn),使得汽車中電容傳感器的應(yīng)用數(shù)量大幅增長(zhǎng)壓力變送器。

宏觀上講,電容傳感器通常是通過將電容轉(zhuǎn)換成電壓、時(shí)間或者頻率等另一種物理變量來進(jìn)行分析。而在微觀上,電容傳感器已經(jīng)長(zhǎng)期用于汽車之中;微機(jī)械加速度傳感器就是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。這些經(jīng)常用來檢測(cè)電荷轉(zhuǎn)移。

一種用于探測(cè)電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級(jí)來檢測(cè)出未知的電容,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種方法使用了電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),在本文中要與幾個(gè)可以用于汽車的電容傳感器原理一起闡述說明。

以前的電容分析系統(tǒng)要求測(cè)量的電容比較大,以及接觸時(shí)電容值的變化很大。對(duì)傳感器制造商來說,需要足夠大的變化經(jīng)常會(huì)帶來問題,而在較小的電容傳感器卻不會(huì)出現(xiàn)。例如,典型的150pF濕度傳感器不僅相當(dāng)昂貴(因?yàn)楸容^大),還容易出錯(cuò),且長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性也較差。

電容器的電容可以根據(jù)它的結(jié)構(gòu)來計(jì)算：C=εoεrA/d

其中,εo是真空介電常數(shù),εr是材料的介電常數(shù),A是所用的導(dǎo)板面積,d則是兩個(gè)電極之間的距離。除少數(shù)例外(如壓力傳感器),所有電容傳感器都是利用導(dǎo)板表面或電介質(zhì)的變化來測(cè)量電容的改變。大多數(shù)傳感器可以被劃分成兩類：一類是導(dǎo)板面積(幾何)變化的(如液位傳感器或位移傳感器);另一類是依賴εr變化的。

濕度傳感器是電介質(zhì)傳感器的經(jīng)典例子,使用濕度敏感聚合物層作為電介質(zhì)。隨著濕度的增加,堆積越來越多的水分子,因此εr增大。傳感器檢測(cè)液體的純度,實(shí)質(zhì)由兩塊固定的導(dǎo)板構(gòu)成,液體自身形成電介質(zhì)。必需的液體特性根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定。溫度起到?jīng)Q定性的作用,也必須可靠地確定。測(cè)量電介質(zhì)變化的簡(jiǎn)單的接近傳感器,通常需要最復(fù)雜的測(cè)量電子學(xué)。

在許多情況下,接近傳感器在印制電路板包括兩個(gè)導(dǎo)體。中間媒介電介質(zhì)的值非常小。如果一個(gè)物體,例如手,移動(dòng)到電容器的電子區(qū)域,它就改變電容。人體的組成超過90[%]水,因而電介質(zhì)的值非常大。

遙控開關(guān)非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點(diǎn)火或?qū)﹄妱?dòng)窗的箝位保護(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無鑰匙汽車一個(gè)重要的必要條件是盡可能使輸入電流--標(biāo)準(zhǔn)情況是低于100A。多年以來制造商已經(jīng)將Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化,因此已有一些適合的體系結(jié)構(gòu)。

雨水傳感器可以用一個(gè)類似的方法來實(shí)現(xiàn)。它們易于制造,性價(jià)比較高,而且尺寸也可以是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。然而,基于水滴光學(xué)折射的傳統(tǒng)雨水傳感器在擋風(fēng)玻璃只有一個(gè)非常小活動(dòng)區(qū)域,這就降低了系統(tǒng)靈敏度,導(dǎo)致重復(fù)出現(xiàn)干擦和沒有擦到的問題壓力傳感器。

在汽車中的應(yīng)用

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

要形象描述CDC,我們必須對(duì)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器原理作一番介紹。圖1是Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)圖。

為了清楚地了解其工作過程,首先我們看積分器的輸入,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間間隔后,該值必須保持為零。短時(shí)間微小的階躍信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變成斜坡信號(hào)。通過將基準(zhǔn)支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來達(dá)到零平均值,反過來這還受到比較器輸出的影響。這將參考點(diǎn)轉(zhuǎn)變成具有邏輯1的并聯(lián)電容。

電容充電然后反過來提供給積分器,這樣積分器得到一個(gè)負(fù)的參考電壓。因此輸入端的高壓導(dǎo)致大量邏輯部分,它們反過來頻繁地運(yùn)用(負(fù))參考電壓。密度通過下面的數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字化的數(shù)值。經(jīng)典的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器將未知的電壓與已知的電壓相比較,即采用兩個(gè)已知的電容(通常相等)來作此比較。

事實(shí)上是對(duì)電荷進(jìn)行比較,因此電容可以用公式Q=C*V來比較,如果兩個(gè)電壓都已知(在此取相同的電壓值)。同步電壓信號(hào)也必須提供給輸入支路,圖2顯示的是電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

這種方法帶來了很多好處。由于與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的關(guān)系密切,其眾所周知的特性可以改進(jìn)并采納,這些特性包括高噪聲抑制、低頻時(shí)的高分辨率,以及能經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器,幾乎沒有例外,具有一個(gè)相似的輸入結(jié)構(gòu),因此不同的特別結(jié)構(gòu)可以適用于特殊的測(cè)量任務(wù),例如極低的電流輸入、準(zhǔn)確性或者更高的截止頻率。

如果我們仔細(xì)地審視圖2,可以清楚看到更多的優(yōu)點(diǎn)。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。一個(gè)在節(jié)點(diǎn)A趨向于零的寄生電容具有零電位。節(jié)點(diǎn)B不為零,但是它由一個(gè)確定的低阻抗電位充電,因此在該節(jié)點(diǎn)的寄生電容將充電到一個(gè)平均值而不影響測(cè)量結(jié)果。節(jié)點(diǎn)A到B的寄生電容總是與測(cè)量元件并聯(lián),并且通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)偏移量。

現(xiàn)有的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器能提供非常好的性能。例如ADI的AD7745可達(dá)到24位分辨率和16位精度。

圖1：Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)圖

圖2：電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

電容式傳感器

電容器的電容可以根據(jù)它的結(jié)構(gòu)來計(jì)算：C=εoεrA/d

濕度傳感器是電介質(zhì)傳感器的經(jīng)典例子,使用濕度敏感聚合物層作為電介質(zhì)。隨著濕度的增加,堆積越來越多的水分子,因此εr增大。傳感器檢測(cè)液體(如油或燃料)的純度,實(shí)質(zhì)由兩塊固定的導(dǎo)板構(gòu)成,液體自身形成電介質(zhì)。必需的液體特性根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定(例如：油或燃料中增加的水份)。溫度起到?jīng)Q定性的作用,也必須可靠地確定。測(cè)量電介質(zhì)變化的簡(jiǎn)單的接近傳感器,通常需要最復(fù)雜的測(cè)量電子學(xué)。

圖3

圖4

圖5

在許多情況下,接近傳感器在印制電路板包括兩個(gè)導(dǎo)體。中間媒介電介質(zhì)的值非常小(接近1)。如果一個(gè)物體,例如手,移動(dòng)到電容器的電子區(qū)域,它就改變電容。人體的組成超過90[%]水,因而電介質(zhì)的值非常大(約50)。

遙控開關(guān)非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點(diǎn)火或?qū)﹄妱?dòng)窗的箝位保護(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無鑰匙汽車一個(gè)重要的必要條件是盡可能使輸入電流——標(biāo)準(zhǔn)情況是低于100A。多年以來制造商已經(jīng)將Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化,因此已有一些適合的體系結(jié)構(gòu)。

幾何變化傳感器

依靠幾何變化的傳感器的例子有壓力傳感器、液位傳感器和位移傳感器－這些傳感器都是簡(jiǎn)單地移動(dòng)固定導(dǎo)板之間的電介質(zhì)。壓力傳感器使用具有固定尺寸的兩塊導(dǎo)板作為膜;由于導(dǎo)板有彈性,作用在傳感器上的壓力就會(huì)改變它們之間的距離。

由于熱擴(kuò)散,溫度傳感器需要考慮改變的幾何形狀。設(shè)想兩個(gè)電極中的一個(gè)附著在芯片上,另一個(gè)附著在由金屬或陶瓷構(gòu)成的支架上,因此支架自己作為傳感器。以陶瓷為例,能夠承受非常高的壓力和侵入的媒介。與經(jīng)典的惠斯通電橋相比較,電容壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)輸入電流的要求更低,使得他們特別適合于諸如輪胎壓力控制之類的應(yīng)用。

在一個(gè)液位傳感器中,一對(duì)固定的導(dǎo)板浸沒在要測(cè)量的液體中。制造商能夠以非常低的成本制造出印制導(dǎo)體。第二對(duì)導(dǎo)板附著在底部,可以檢測(cè)出由于溫度或其他影響導(dǎo)致的電介質(zhì)變化,如下圖所示。

在所有方法中,都證實(shí)了Σ-Δ技術(shù)是非常令人滿意的。許多情況下,無論如何數(shù)字濾波器都是必要的,它們可以用來實(shí)現(xiàn)必需的動(dòng)態(tài)特性。例如,在液壓傳感器中需要非常長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù),而接近傳感器必須適應(yīng)變化了的四周環(huán)境(如濕度傳感器要適應(yīng)雨或冰)。

采用DDS技術(shù)的可選方法

這種技術(shù)按照一個(gè)完全不同的、略微更復(fù)雜一些的方式來工作。另一方面,它可以用于測(cè)量復(fù)阻抗,包括電感、阻抗/電容或者阻抗/電感傳感器等。在這種情況下,傳感器由一個(gè)已知的非常精確的頻率來激發(fā)。在此,直接數(shù)字式頻率合成(DDS)技術(shù)非常適用。

圖6：用DDS方法計(jì)算阻抗的實(shí)部和虛部

這里,傳感器的反應(yīng)通過快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和快速的傅立葉分析記錄下來。采用DDS方法,初始的相位在任何時(shí)候都可精確地獲知。用同樣的方法,對(duì)其他頻率的反應(yīng)也可以測(cè)量出來。阻抗的實(shí)部和虛部可以據(jù)此計(jì)算出,并且通過數(shù)字總線輸出。完全掃描僅需要幾百毫秒。此圖對(duì)該方法進(jìn)行了說明。

該網(wǎng)絡(luò)分析儀電路可以用于電容和電感傳感器,同樣也可用于記錄運(yùn)動(dòng)或測(cè)量液體黏度的傳感器,例如引擎或潤(rùn)滑油。

小結(jié)

電容傳感器正在汽車中迎來新生。新的方法在壓力、液位、濕度、雨和接近傳感器中已經(jīng)證明獲得了初步成功。采用Σ-Δ技術(shù)能夠?qū)Σ煌膭?dòng)態(tài)和精度需求提供靈活的解決方案,并且使傳感器系統(tǒng)具有及其低的電源要求。CDC設(shè)備已經(jīng)用于幾種汽車應(yīng)用,在許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用正在增加。

電容傳感器