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、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進(jìn)行測量的量，而其測量方法的相互關(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，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5μm數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01μm，比前者提高了兩個數(shù)量級，量程為100±5μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。

原理

引言用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電學(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)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(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、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進(jìn)行測量的量，而其測量方法的相互關(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，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5μm數(shù)量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01μm，比前者提高了兩個數(shù)量級，量程為100±5μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：(1)測量范圍大其相對變化率可超過100[%]；(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達(dá)10-7數(shù)量級；(3)動態(tài)響應(yīng)快因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；(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材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。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參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的。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，該電容器的電容量為：如果其中一塊板極相對另一極板轉(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塊極板相對位移x時，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，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)運動齒相對于固定齒移動一個位移x時，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)常用來檢測液位的高度，圖2(b)常用來檢測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)是在一個固定電容器的極板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為：式中：S—電容器的遮蓋面積；d1—被測物體上側(cè)至電極之間的距離；d2—被測物體的厚度；d3—被測物體下側(cè)至電極之間的距離；ε1—被測物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε2—被測物體的介電常數(shù)；ε3—被測物體下側(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，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，電容量的大小就和被測材料的厚度d2及介電常數(shù)ε2有關(guān)。如被測材料介電常數(shù)ε2已知，就可以測量等厚教材料的厚度d2；或者被測材料的厚度d2已知，就可測量其介電常數(shù)ε2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數(shù)測量儀的工作原理。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為與被測物體相連的活動極板，可上下移動。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，則初始電容C0為：

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

優(yōu)點

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

(1)測量范圍大

其相對變化率可超過100[%]；

(2)靈敏度高

如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達(dá)10-7數(shù)量級；

(3)動態(tài)響應(yīng)快

因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量；

(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材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。

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)性能都會生變化，根據(jù)介電常數(shù)的變化，便可綜合測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,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)簡單、功耗低等特性,從而推動了它們的應(yīng)用。如今,一種新型測量技術(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)長期用于汽車之中;微機械加速度傳感器就是基于這個原理設(shè)計的。這些經(jīng)常用來檢測電荷轉(zhuǎn)移。

一種用于探測電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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)要求測量的電容比較大,以及接觸時電容值的變化很大。對傳感器制造商來說,需要足夠大的變化經(jīng)常會帶來問題,而在較小的電容傳感器卻不會出現(xiàn)。例如,典型的150pF濕度傳感器不僅相當(dāng)昂貴(因為比較大),還容易出錯,且長時間的穩(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。傳感器檢測液體的純度,實質(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)驗來確定。溫度起到?jīng)Q定性的作用,也必須可靠地確定。測量電介質(zhì)變化的簡單的接近傳感器,通常需要最復(fù)雜的測量電子學(xué)。

在許多情況下,接近傳感器在印制電路板包括兩個導(dǎo)體。中間媒介電介質(zhì)的值非常小。如果一個物體,例如手,移動到電容器的電子區(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火或?qū)﹄妱哟暗捏槲槐Ｗo(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無鑰匙汽車一個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類似的方法來實現(xiàn)。它們易于制造,性價比較高,而且尺寸也可以是一項優(yōu)勢。然而,基于水滴光學(xué)折射的傳統(tǒng)雨水傳感器在擋風(fēng)玻璃只有一個非常小活動區(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

一種用于探測電容的新方法采用改進(jìn)后的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種方法使用了電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),在本文中要與幾個可以用于汽車的電容傳感器原理一起闡述說明。文末也會概要說明另一種可選方法。

電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器

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

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)過長時間間隔后,該值必須保持為零。短時間微小的階躍信號會轉(zhuǎn)變成斜坡信號。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,即采用兩個已知的電容(通常相等)來作此比較。

事實上是對電荷進(jìn)行比較,因此電容可以用公式Q=C*V來比較,如果兩個電壓都已知(在此取相同的電壓值)。同步電壓信號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、低頻時的高分辨率,以及能經(jīng)濟有效地實現(xiàn)高精確度。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器,幾乎沒有例外,具有一個相似的輸入結(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。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。一個在節(jié)點A趨向于零的寄生電容具有零電位。節(jié)點B不為零,但是它由一個確定的低阻抗電位充電,因此在該節(jié)點的寄生電容將充電到一個平均值而不影響測量結(jié)果。節(jié)點A到B的寄生電容總是與測量元件并聯(lián),并且通常會出現(xiàn)一個偏移量。

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。傳感器檢測液體(如油或燃料)的純度,實質(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。測量電介質(zhì)變化的簡單的接近傳感器,通常需要最復(fù)雜的測量電子學(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導(dǎo)體。中間媒介電介質(zhì)的值非常小(接近1)。如果一個物體,例如手,移動到電容器的電子區(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火或?qū)﹄妱哟暗捏槲槐Ｗo(hù)之類的應(yīng)用成為可能。無鑰匙汽車一個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－這些傳感器都是簡單地移動固定導(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改變它們之間的距離。

由于熱擴散,溫度傳感器需要考慮改變的幾何形狀。設(shè)想兩個電極中的一個附著在芯片上,另一個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)點是對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。

在一個液位傳感器中,一對固定的導(dǎo)板浸沒在要測量的液體中。制造商能夠以非常低的成本制造出印制導(dǎo)體。第二對導(dǎo)板附著在底部,可以檢測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,它們可以用來實現(xiàn)必需的動態(tài)特性。例如,在液壓傳感器中需要非常長的時間常數(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方法計算阻抗的實部和虛部

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候都可精確地獲知。用同樣的方法,對其他頻率的反應(yīng)也可以測量出來。阻抗的實部和虛部可以據(jù)此計算出,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動或測量液體黏度的傳感器,例如引擎或潤滑油。

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膭討B(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