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，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、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系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，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到1～5μm數量級；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量時，首先必須將被測的非電學量轉換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器；根據不同非電學量的特點設計成的有關轉換裝置稱為傳感器，而被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、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系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，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到1～5μm數量級；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行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優點：(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10-7數量級；(3)動態響應快因其可動質量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態測量，也可靜態測量；(4)穩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境下的檢測難題。2原理及應用電容傳感器的工作原理是利用力學量變化使電容器中其中的一個參數發生變化的方法來實現信號變換的。根據改變電容器的參數不同，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，極板間介質的介電常數為ε。當忽略邊緣效應時，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。如果初始狀態極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0＝ab，當2塊極板相對位移x時，則極板的遮蓋面積變為S1=b(a-x)。在介電常數和極板距離不變時，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。若鋸齒數為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當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改變介質介電常數的電容傳感器圖2是2種改變介質介電常數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。



圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中（液體應不能導電，若能導電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質由2部分組成：空氣介質和液體介質，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質的液面發生變化，從而導致電容器的電容C也發生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環境的影響?？傠娙軨由液體介質部分電容C1和空氣介質部分電容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—同心圓電極的內半徑；ε1—被測液體的介電常數；ε2—空氣的介電常數。當容器的尺寸和被測介質確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數，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—被測物體上側至電極之間的距離；d2—被測物體的厚度；d3—被測物體下側至電極之間的距離；ε1—被測物體上側至電極之間介質的介電常數；ε2—被測物體的介電常數；ε3—被測物體下側至電極之間介質的介電常數。由于d1+d3=d-d2，且當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，被測物體上下側至電極之間介質的介電常數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ε2有關。如被測材料介電常數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ε2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數測量儀的工作原理。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。當極板間的遮蓋面積為S，極板間介質的介電常數為ε，初始極板間距為d0時，則初始電容C0為：

當活動極板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：當電容器的活動極板1移動極小時，即Δd<

優點

對于上述這些力學量，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行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優點：

(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10-7數量級；

(3)動態響應快

因其可動質量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態測量，也可靜態測量；

(4)穩定性好

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性能都會生變化，根據介電常數的變化，便可綜合測定在用油的總體污染程度和質量。

應用

過去,由于被認為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴格等特點,電容傳感器很少用于汽車電子之中。但另一方面,它們也具有生產成本較低、外形適應簡單、功耗低等特性,從而推動了它們的應用。如今,一種新型測量技術的出現,使得汽車中電容傳感器的應用數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換成電壓、時間或者頻率等另一種物理變量來進行分析。而在微觀上,電容傳感器已經長期用于汽車之中;微機械加速度傳感器就是基于這個原理設計的。這些經常用來檢測電荷轉移。

一種用于探測電容的新方法采用改進后的Σ-Δ轉換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉換成數字信號。這種方法使用了電容數字轉換器(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常會帶來問題,而在較小的電容傳感器卻不會出現。例如,典型的150pF濕度傳感器不僅相當昂貴(因為比較大),還容易出錯,且長時間的穩定性也較差。

電容器的電容可以根據它的結構來計算：C=εoεrA/d

其中,εo是真空介電常數,εr是材料的介電常數,A是所用的導板面積,d則是兩個電極之間的距離。除少數例外(如壓力傳感器),所有電容傳感器都是利用導板表面或電介質的變化來測量電容的改變。大多數傳感器可以被劃分成兩類：一類是導板面積(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傳感器的經典例子,使用濕度敏感聚合物層作為電介質。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,實質由兩塊固定的導板構成,液體自身形成電介質。必需的液體特性根據經驗來確定。溫度起到決定性的作用,也必須可靠地確定。測量電介質變化的簡單的接近傳感器,通常需要最復雜的測量電子學。

在許多情況下,接近傳感器在印制電路板包括兩個導體。中間媒介電介質的值非常小。如果一個物體,例如手,移動到電容器的電子區域,它就改變電容。人體的組成超過90[%]水,因而電介質的值非常大。

遙控開關非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點火或對電動窗的箝位保護之類的應用成為可能。無鑰匙汽車一個重要的必要條件是盡可能使輸入電流--標準情況是低于100A。多年以來制造商已經將Σ-Δ轉換器進行優化,因此已有一些適合的體系結構。

雨水傳感器可以用一個類似的方法來實現。它們易于制造,性價比較高,而且尺寸也可以是一項優勢。然而,基于水滴光學折射的傳統雨水傳感器在擋風玻璃只有一個非常小活動區域,這就降低了系統靈敏度,導致重復出現干擦和沒有擦到的問題壓力傳感器。

在汽車中的應用

過去,由于被認為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴格等特點,電容傳感器很少用于汽車電子之中。但另一方面,它們也具有生產成本較低、外形適應簡單、功耗低等特性,從而推動了它們的應用。如今,一種新型測量技術的出現,使得汽車中電容傳感器的應用數量大幅增長。

宏觀上講,電容傳感器通常是通過將電容轉換成電壓、時間或者頻率等另一種物理變量來進行分析。而在微觀上,電容傳感器已經長期用于汽車之中;微機械加速度傳感器就是基于這個原理設計的。這些經常用來檢測電荷轉移。

一種用于探測電容的新方法采用改進后的Σ-Δ轉換器的輸入級來檢測出未知的電容,并將其轉換成數字信號。這種方法使用了電容數字轉換器(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。

電容數字轉換器

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

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變成斜坡信號。通過將基準支路的輸出提高到與輸入支路的值相同來達到零平均值,反過來這還受到比較器輸出的影響。這將參考點轉變成具有邏輯1的并聯電容。

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的參考電壓。因此輸入端的高壓導致大量邏輯部分,它們反過來頻繁地運用(負)參考電壓。密度通過下面的數字濾波轉換成一個數字化的數值。經典的Σ-Δ轉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顯示的是電容數字轉換器。

這種方法帶來了很多好處。由于與Σ-Δ轉換器的關系密切,其眾所周知的特性可以改進并采納,這些特性包括高噪聲抑制、低頻時的高分辨率,以及能經濟有效地實現高精確度。Σ-Δ轉換器,幾乎沒有例外,具有一個相似的輸入結構,因此不同的特別結構可以適用于特殊的測量任務,例如極低的電流輸入、準確性或者更高的截止頻率。

如果我們仔細地審視圖2,可以清楚看到更多的優點。寄生電容在最初的近似值中不扮演任何角色。一個在節點A趨向于零的寄生電容具有零電位。節點B不為零,但是它由一個確定的低阻抗電位充電,因此在該節點的寄生電容將充電到一個平均值而不影響測量結果。節點A到B的寄生電容總是與測量元件并聯,并且通常會出現一個偏移量。

現有的電容數字轉換器能提供非常好的性能。例如ADI的AD7745可達到24位分辨率和16位精度。

圖1：Σ-Δ轉換器的簡圖

圖2：電容數字轉換器

電容式傳感器

以前的電容分析系統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常會帶來問題,而在較小的電容傳感器卻不會出現。例如,典型的150pF濕度傳感器不僅相當昂貴(因為比較大),還容易出錯,且長時間的穩定性也較差。

電容器的電容可以根據它的結構來計算：C=εoεrA/d

其中,εo是真空介電常數,εr是材料的介電常數,A是所用的導板面積,d則是兩個電極之間的距離。除少數例外(如壓力傳感器),所有電容傳感器都是利用導板表面或電介質的變化來測量電容的改變。大多數傳感器可以被劃分成兩類：一類是導板面積(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(如接近傳感器或濕度傳感器)。

濕度傳感器是電介質傳感器的經典例子,使用濕度敏感聚合物層作為電介質。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,實質由兩塊固定的導板構成,液體自身形成電介質。必需的液體特性根據經驗來確定(例如：油或燃料中增加的水份)。溫度起到決定性的作用,也必須可靠地確定。測量電介質變化的簡單的接近傳感器,通常需要最復雜的測量電子學。

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體。中間媒介電介質的值非常小(接近1)。如果一個物體,例如手,移動到電容器的電子區域,它就改變電容。人體的組成超過90[%]水,因而電介質的值非常大(約50)。

遙控開關非常容易制造,因而使得諸如無鑰匙點火或對電動窗的箝位保護之類的應用成為可能。無鑰匙汽車一個重要的必要條件是盡可能使輸入電流——標準情況是低于100A。多年以來制造商已經將Σ-Δ轉換器進行優化,因此已有一些適合的體系結構。

雨水傳感器可以用一個類似的方法來實現。它們易于制造,性價比較高,而且尺寸也可以是一項優勢。然而,基于水滴光學折射的傳統雨水傳感器在擋風玻璃只有一個非常小活動區域,這就降低了系統靈敏度,導致重復出現干擦和沒有擦到的問題。

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板之間的電介質。壓力傳感器使用具有固定尺寸的兩塊導板作為膜;由于導板有彈性,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。與經典的惠斯通電橋相比較,電容壓力傳感器的主要優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用。

在一個液位傳感器中,一對固定的導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體。第二對導板附著在底部,可以檢測出由于溫度或其他影響導致的電介質變化,如下圖所示。

在所有方法中,都證實了Σ-Δ技術是非常令人滿意的。許多情況下,無論如何數字濾波器都是必要的,它們可以用來實現必需的動態特性。例如,在液壓傳感器中需要非常長的時間常數,而接近傳感器必須適應變化了的四周環境(如濕度傳感器要適應雨或冰)。

采用DDS技術的可選方法

這種技術按照一個完全不同的、略微更復雜一些的方式來工作。另一方面,它可以用于測量復阻抗,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。在此,直接數字式頻率合成(DDS)技術非常適用。

圖6：用DDS方法計算阻抗的實部和虛部

這里,傳感器的反應通過快速的模數轉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,對其他頻率的反應也可以測量出來。阻抗的實部和虛部可以據此計算出,并且通過數字總線輸出。完全掃描僅需要幾百毫秒。此圖對該方法進行了說明。

該網絡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

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證明獲得了初步成功。采用Σ-Δ技術能夠對不同的動態和精度需求提供靈活的解決方案,并且使傳感器系統具有及其低的電源要求。CDC設備已經用于幾種汽車應用,在許多其他領域的應用正在增加。