時(shí)間：2023-03-01 16:30:58
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關(guān)鍵詞：電容；極板；電介質(zhì)
中圖分類號(hào)：TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而它們的共同要求是必須建立在強(qiáng)大的信息工業(yè)基礎(chǔ)上。人們只有從外界獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息，再經(jīng)過一系列的科學(xué)分析、處理、加工，才能認(rèn)識(shí)和掌握自然界中的各種現(xiàn)象及其相關(guān)發(fā)展變化規(guī)律，進(jìn)而促成科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術(shù)。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)。
傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成有用（與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的且易于處理和控制）輸出信號(hào)的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。
電容式傳感器是一種把非電物理量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電容量，再通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號(hào)的一種裝置。它在非電量檢測(cè)中應(yīng)用十分廣泛。
電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來(lái)了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術(shù)的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到了發(fā)揚(yáng)，而缺點(diǎn)也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一種有可變參數(shù)的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質(zhì)構(gòu)成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質(zhì)稱為電介質(zhì)。電容器的電容量與兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)、兩極板的相對(duì)覆蓋面積，兩極板間距離有關(guān)。這三個(gè)參數(shù)的改變均使電容C發(fā)生變化。因此可以固定其中兩個(gè)參數(shù)不變，而使另外一個(gè)參數(shù)改變。如果變化的參數(shù)與被測(cè)量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，那被測(cè)量的變化就可以直接由電容的變化反映出來(lái)。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：
1.變面積式電容傳感器――兩極板的相對(duì)覆蓋面積變化，介電常數(shù)、極板間距離不變。
2.變極距式電容傳感器――極板間距離變化，介電常數(shù)、極板的相對(duì)覆蓋面積不變。
3.變介電常數(shù)式電容傳感器――介電常數(shù)變化，極板的相對(duì)覆蓋面積、極板間距離不變。
二、電容式傳感器的測(cè)量電路
電容式傳感器的測(cè)量電路主要是把電容轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）輸出，常用的測(cè)量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運(yùn)算放大器測(cè)量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。
三、電容式傳感器在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題
（一）溫度的影響
物質(zhì)有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對(duì)位置將發(fā)生變化，由于電容器因?yàn)闃O板間距很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。此外電介質(zhì)的介電常數(shù)也會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓l(fā)生改變。而要減小溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可采取以下方式：
（1）在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，選擇合理的極板間距。
（2）在制造電容式傳感器時(shí)，選用溫度膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料及電介質(zhì)。
（3）測(cè)量電路采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
（二）電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)
所謂電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)指的是在極板的邊緣附近，電場(chǎng)分布是不均勻的，這就相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可采取以下措施：
（1）在制造電容器時(shí)，選擇合理的初始電容量。
（2）加裝等位環(huán)。具體做法為：在極板A的同一平面內(nèi)，加一個(gè)同心環(huán)面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時(shí)必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環(huán)。這樣可使極板邊緣處的電場(chǎng)接近勻強(qiáng)電場(chǎng)了。
（三）寄生電容的影響
任何兩個(gè)彼此絕緣的導(dǎo)體均可構(gòu)成電容器。電容式傳感器除了兩個(gè)極板間的電容外，還可以與周圍導(dǎo)體產(chǎn)生電容聯(lián)系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會(huì)使傳感器電容量發(fā)生明顯改變。而且寄生電容極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
為了克服寄生電容的影響，必須對(duì)傳感器進(jìn)行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內(nèi)，并將殼體良好接地。同時(shí)，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。
四、電容式傳感器應(yīng)用舉例
（一）電容式接近開關(guān)
測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷，接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于是金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。
（二）電容式鍵盤
常用的鍵盤有兩種：機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的改變，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率小。
（三）電容式指紋傳感器
電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來(lái)進(jìn)行信息采集的。當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時(shí)，電容會(huì)有所增加，通過檢測(cè)增加的電容來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
（四）電容式聽診器
醫(yī)學(xué)上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個(gè)極板在聽診器的內(nèi)部，另一極板為聽診器的膜片。當(dāng)繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發(fā)生變化，從而使電容器的電容發(fā)生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：電容；傳感器；轉(zhuǎn)換；測(cè)量
在生產(chǎn)科研活動(dòng)中，經(jīng)常要對(duì)溫度、壓力等非電量進(jìn)行測(cè)量，使得現(xiàn)代傳感器技術(shù)有了飛速的發(fā)展。電容式傳感器的檢測(cè)元件可將被測(cè)非電量變換為電容量，然后通過對(duì)電容值的測(cè)量得到相應(yīng)的非電量的值。由此可見對(duì)電容值進(jìn)行測(cè)量是有實(shí)際意義的。在數(shù)字化測(cè)量技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電容所測(cè)值進(jìn)行數(shù)字顯示，通常是將被測(cè)電容Cx先轉(zhuǎn)換成與其成正比的直流電壓信號(hào)（稱C/U轉(zhuǎn)換）或時(shí)間信號(hào)（稱C/t轉(zhuǎn)換）。這里介紹一些具體的轉(zhuǎn)換方法，并詳細(xì)討論一個(gè)典型的C/U轉(zhuǎn)換電路。
1、測(cè)量電容的幾種轉(zhuǎn)換方法
⑴ 充電法測(cè)電容
圖1是這種方法的原理圖。集成運(yùn)放反向輸入端所加的基準(zhǔn)電壓Ur經(jīng)電阻R對(duì)被測(cè)電容Cx進(jìn)行充電，當(dāng)輸出電壓Uo達(dá)到預(yù)先設(shè)定的額定值時(shí)就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時(shí)間t的長(zhǎng)短與Cx成正比。由圖1可寫出其關(guān)系式：
只要測(cè)出時(shí)間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉(zhuǎn)換方法測(cè)電容，其可測(cè)范圍為10μf-999.9μf。
⑵ 充放電法測(cè)電容
圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對(duì)電容的充放電進(jìn)行控制?；鶞?zhǔn)Ur先對(duì)Cx進(jìn)行充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到額定值時(shí)就對(duì)地放電，當(dāng)電容兩端電壓降低到一個(gè)額定值時(shí)再次充電。Cx如此反復(fù)的充放電，就形成一個(gè)周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測(cè)量時(shí)間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉(zhuǎn)換測(cè)量電容若配上單片機(jī)電容量的分辯率可達(dá)（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測(cè)范圍為0-200μF。
和上述方法相似的另一種測(cè)量方式是稱為換向式的測(cè)量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測(cè)量放電的持續(xù)時(shí)間Td得知Cx的大小，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)充電電源及放大器參數(shù)要求不嚴(yán)格，測(cè)量誤差小，分辨力可達(dá)0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。
⑶ 脈寬調(diào)制法測(cè)電容
圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端輸入一個(gè)脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測(cè)電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個(gè)周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調(diào)制）。如果能設(shè)法測(cè)出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉(zhuǎn)換法測(cè)電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測(cè)出它的數(shù)值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉(zhuǎn)換測(cè)電容。脈寬調(diào)制法測(cè)電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點(diǎn)是測(cè)量前都要手動(dòng)調(diào)零，從而延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間。
⑷ 容抗法測(cè)電容
圖4是這種方法的原理電路圖。運(yùn)放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測(cè)試信號(hào)。電容中通過正弦交流信號(hào)時(shí)，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當(dāng)fo恒定時(shí)，Xc與Cx成反比。
2、按容抗法實(shí)現(xiàn)的C/U轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與分析
根據(jù)容抗法測(cè)量原理，為實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換，必須有正弦信號(hào)發(fā)生器，C/ACU轉(zhuǎn)換電路，AC/DC轉(zhuǎn)換電路，濾波器及輔助電路等。
由集成運(yùn)放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，R3R4R5組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運(yùn)放N2是一級(jí)反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A = -（R7+RP1）/R6其中RP1為校準(zhǔn)電位器，調(diào)節(jié)RP1可改變N2的電壓增益。由運(yùn)放N3、電阻RS和電容Cx組成測(cè)量電容的主電路，其功能是實(shí)現(xiàn)C/ACU的轉(zhuǎn)換。由運(yùn)放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo = 400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號(hào)通過，這樣就得到一個(gè)純正的400HZ的正弦波。由集成運(yùn)放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負(fù)反饋電阻可將N5偏置在線性放大區(qū)并控制運(yùn)放的增益。
3、電容式傳感器的應(yīng)用
電容式傳感器的檢測(cè)元件將被測(cè)非電量變換為電容量變化后，用測(cè)量線路（C/U轉(zhuǎn)換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關(guān)系得出非電量的值。可應(yīng)用在測(cè)氣體的濃度、油箱油量、導(dǎo)電液體液位等等。
這種電容式轉(zhuǎn)換電路具有線性度好、準(zhǔn)確度高、電路簡(jiǎn)單、成本小、功耗低等特點(diǎn)可應(yīng)用于一些小型、便攜式裝置中。例如數(shù)字萬(wàn)用表就是利用容抗法實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來(lái)測(cè)量電容的。
參考文獻(xiàn)：
[1]沙占友等.數(shù)字萬(wàn)用表應(yīng)用技巧 .北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997
關(guān)鍵詞：電容式傳感器 應(yīng)用 研究
1、電容式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器與傳統(tǒng)的電感式、電阻式傳感器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫，輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。首先，電容式傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此比較容易投入生產(chǎn)。適應(yīng)性好強(qiáng)，可大可小，從而可以滿足不同需求的測(cè)量。用于制作電容式傳感器的金屬極板材料有可以有多種選擇：金、銀、銅、黃銅、青銅、鉛等，選擇范圍廣，可見適應(yīng)性比較強(qiáng)。其次，電容式傳感器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，分辨率高的特點(diǎn)。由于在極板間的靜電引力小，作用能量值也相應(yīng)降低，能活動(dòng)的地方可以做的很小很薄，重量輕，因此電容式傳感器的固有頻率會(huì)隨之升高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變短，在幾兆赫的頻率下即可工作，因此，此電容器特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于需要的輸入的能量低，所以即便只是測(cè)量極小的壓力、力和加速度，也可以做到很靈敏，很精確。電容式傳感器在一般情況下可視為純電容，其容抗值為XC=1/jwC，當(dāng)W為常數(shù)時(shí)，容抗隨電容的減小而增大。一般電容式傳感器受幾何尺寸的限制，其電容量是很小的，有的甚至只有幾個(gè)皮法，所以，電容式傳感器具有高阻抗的特點(diǎn)，又由于電容器本身的C很小，所以電容式傳感器呈現(xiàn)小功率的特性。功率小，發(fā)熱自然低，因此溫度的變化對(duì)測(cè)量的誤差很小。對(duì)于非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
電容式傳感器的不足之處及解決辦法：電容式傳感器是以靜電場(chǎng)有關(guān)理論為基礎(chǔ)制成的，從靜電場(chǎng)角度考慮，影響其工作性能的因素是存在的，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)給予考慮。首先，電容式傳感器輸出與輸人之間的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線性，這時(shí)可以采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)解決非線性大的局限性，但只能緩解，不能完全消除，這也是電容式傳感器使用的局限性。因其電容小，所以負(fù)載能力較差，為了提高工作電容值，可以在極板間加入介電常數(shù)高的絕緣材料，并減少極板間的間距來(lái)間接提高提高電容數(shù)值；因其電容值的偏低，所以對(duì)后續(xù)放大器要求很高，這時(shí)可以采用提高電源頻率的方法降低容抗值，采用高輸入阻抗運(yùn)放作放大器，以減小在放大環(huán)節(jié)的信號(hào)衰減。采用帶通或選頻放大技術(shù)，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行放大而濾去低頻信號(hào)，采用屏蔽，將傳感器和測(cè)量電路裝在屏蔽殼體中，減少寄生電容和外界干擾的影響，減小極板厚度，增加極板寬度，以削弱極板的邊緣效應(yīng)和非線性誤差。
2、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實(shí)際的基本包括了一個(gè)接收器Tx與一個(gè)發(fā)射器Rx，其分別都具有在印刷電路板（PCB）層上成形的金屬走線。在接收器與發(fā)射器走線之間會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)。電容傳感器卻可以探測(cè)與傳感器電極特性不同的導(dǎo)體和盡緣體。當(dāng)有物體靠近時(shí)，電極的電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生改變。從而感應(yīng)出物體的位移變化量。 在石油、鋼鐵、電力、化學(xué)等生產(chǎn)工藝過程中壓為是非常重要的參數(shù)。此外，在機(jī)械制造技術(shù)方面，從小批量生產(chǎn)到連續(xù)程序控制.從小規(guī)模的設(shè)備到大規(guī)模的成套設(shè)備和不斷發(fā)展的多功能的成套設(shè)備.都需要大量的壓力傳感器。為廠使這些復(fù)雜化、大規(guī)模化的成套設(shè)備能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高.測(cè)量壓力有表壓力及絕對(duì)壓力測(cè)量二種方式。表壓測(cè)量采用以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)容器內(nèi)壓力的方法。絕對(duì)壓力的測(cè)量是采用以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)而測(cè)容器內(nèi)壓力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表壓傳感器將低壓例制成對(duì)照大氣開口的結(jié)構(gòu)；而絕對(duì)壓力測(cè)量則把低壓設(shè)在真空室的結(jié)構(gòu).對(duì)高壓和低壓兩例的接觸溶液膜加壓后，通過密封液加到感壓膜上，感壓膜（可變電極）接著高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力差成正比地改變位置，感壓膜的位移，使膜與兩側(cè)固定電極之間形成路電容運(yùn)差，這個(gè)靜電容放差位經(jīng)電路轉(zhuǎn)換、放大后就變成4-20mADc的輸出信號(hào)。以加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)[1]。
3、電容式壓力傳感器的應(yīng)用舉例
電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5μm[2]。
（1）電容式測(cè)厚儀： 測(cè)量金屬帶材在軋制過程中厚度 C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。
（2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。
（3）電容式壓力傳感器：電容式壓力傳感器主要用于測(cè)量液體或氣體的壓力，當(dāng)液體或氣體壓力作用于彈性膜片，使彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導(dǎo)致電容量的變化，從而引起由該電容組成的振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、編碼、傳輸?shù)斤@示部分，即可指示壓力變化量。目前，電容式壓力傳感器已被廣泛的使用在工業(yè)生產(chǎn)中。
（4）電容式測(cè)微儀 高靈敏度電容式測(cè)微儀采用非接觸方式精確測(cè)量微位移和振動(dòng)振幅。電容式測(cè)微儀整機(jī)線路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流電路，測(cè)振電路和高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源。并將主放大器和振蕩器放在內(nèi)屏蔽盒里嚴(yán)格屏蔽，其線路地端和屏蔽盒相連，精密整流電路接地。
（5）電容式加速度傳感器 加速度傳感器是利用它內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。加速度傳感器可以幫助機(jī)器了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在水平，走下坡，還是別的情況。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面.
4、結(jié)束語(yǔ)
電容式傳感器是利用電容器原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量和傳輸?shù)碾妷夯螂娏髁康钠骷ｋ娙輦鞲衅髋c其他類型的傳感器相比，具有測(cè)量范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在位移、壓力、厚度、振幅、液位、成分分析等的測(cè)量方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器本身就是電容器，在被測(cè)量的作用下，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電容變化量。因此，在設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)要根據(jù)傳感器和被測(cè)量間函數(shù)關(guān)系的一些參數(shù)和所采用的介質(zhì)以及工作條件等來(lái)確定采用何種工作方式、結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)元件的材料以及傳感器輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理等。
電容式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域主要是壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量，量測(cè)液準(zhǔn)、濕度、以及物質(zhì)成分等。
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基金項(xiàng)目：
高職院校民族傳統(tǒng)體育文化傳播的創(chuàng)新研究（GDGZ12Y084）
因?yàn)榛旌闲盘?hào)ICT藝得到廣泛的采用，這種技術(shù)允許芯片設(shè)計(jì)師優(yōu)化芯片的模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，以構(gòu)建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機(jī)械式開關(guān)所不能比擬的。
如何工作
電容式傳感器基本上可以分成三類：電場(chǎng)傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉(zhuǎn)移(QT)器件。電場(chǎng)傳感器通常會(huì)產(chǎn)生數(shù)百kHz的正弦波，然后將這個(gè)信號(hào)加在電容一個(gè)極板的導(dǎo)電盤上，并檢測(cè)另外一個(gè)導(dǎo)電盤上的信號(hào)電平。當(dāng)用戶的手機(jī)或另外的導(dǎo)體對(duì)象接觸到兩個(gè)盤的時(shí)候，接收器上的信號(hào)電平將改變。通過解調(diào)和濾波極板上的信號(hào)，可能獲得一個(gè)直流電壓，這個(gè)電壓隨電容的改變而變化；將這個(gè)電壓施加在閾值檢測(cè)器上，即可以產(chǎn)生觸摸／無(wú)觸摸的信號(hào)。
弛張振蕩器使用了一個(gè)電極盤，其上的電極電容構(gòu)成了鋸齒波振蕩器中的可變定時(shí)單元。通過將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時(shí)間線性增加。該電壓提供給比較器一個(gè)輸入，而比較器的輸出連接到一個(gè)與電極電容并行連接的接地開關(guān)上。當(dāng)電極電容充電到一個(gè)預(yù)先確定的閾值電壓時(shí)，比較器改變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作一對(duì)定時(shí)電容放電，打開開關(guān)，這個(gè)動(dòng)作將周期性的重復(fù)下去。其結(jié)果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時(shí)電容的值。傳感器根據(jù)不同的頻率改變來(lái)報(bào)告觸摸／無(wú)觸摸狀態(tài)。
QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來(lái)說(shuō)，開關(guān)在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)施加一個(gè)電壓到感應(yīng)電極上對(duì)其充電，之后開關(guān)斷開，第二個(gè)開關(guān)再將電極上的電荷釋放到更大的一個(gè)采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導(dǎo)致傳輸?shù)讲蓸与娙萆系碾姾稍黾?，采樣電容因此改變，?jù)此就能得出檢測(cè)結(jié)果。
QT器件在突發(fā)模式采樣之后即進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，這種方法能提供比競(jìng)爭(zhēng)方案更高的動(dòng)態(tài)范圍和更低的功耗，而自動(dòng)校準(zhǔn)例程可以補(bǔ)償因?yàn)榄h(huán)境條件改變帶來(lái)的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時(shí)不需要一個(gè)參考地連接，因此適合電池供電的設(shè)備。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用這種方法。
應(yīng)用實(shí)例
QT芯片出現(xiàn)在一系列具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，如微波爐和爐灶面控制。它在這些應(yīng)用中必須承受很高的濕度、污染挑戰(zhàn)。而便攜式電子產(chǎn)品也經(jīng)常面對(duì)這種情況，它們所處的環(huán)境經(jīng)常變化，因此QT傳感器也非常適合這種應(yīng)用。QT傳感器在干擾下的高電阻對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兏浇?jīng)常有很強(qiáng)的輻射源，如：PC、手機(jī)等。
因?yàn)檫@個(gè)原因，QT芯片越來(lái)越多地在便攜式設(shè)備中出現(xiàn)。很多領(lǐng)先的亞洲OEM廠商都采用了這種技術(shù)，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM一811 0閃存播放器中就采用了QTl080，而Microstar在其Mega Player536 MP3播放器中采用了QTll01。這些芯片可以工作在2．8―5．5V電源電壓下，吸收的電流大約為40 L1 A，專門針對(duì)移動(dòng)電子產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，采用了5mm x5mm x 0．8mm QFN封裝，這種封裝是空間有限的手機(jī)和遙控設(shè)備所必需的。QTl 0 8 0支持8個(gè)獨(dú)立的按鍵通道，QTll01支持10個(gè)通道。兩個(gè)芯片都包括鄰近按鍵抑制(AKSTM)功能，可以確保芯片正確地識(shí)別手指的位置。這個(gè)概念很簡(jiǎn)單，通過比較鄰近按鍵的信號(hào)電平來(lái)確定最大值，這樣就能確定“真正的”手指位置。設(shè)計(jì)者可以自行選擇是否啟用AKS功能。QTl080利用一個(gè)硬件狀態(tài)線連接每個(gè)輸入通道，而QTll01通過一個(gè)串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴(kuò)譜搜索自動(dòng)校準(zhǔn)，使噪聲抑制最大化。
一般可用多輸入通道實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)按鍵或旋轉(zhuǎn)按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個(gè)分辨率為7位(128點(diǎn))的通道就能實(shí)現(xiàn)高分辨率線性滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)界面。例如QT511(該芯片的主要目標(biāo)應(yīng)用也是便攜式電子產(chǎn)品)使用三個(gè)感應(yīng)通道來(lái)驅(qū)動(dòng)通用電氣公司的一位發(fā)明家于1978年設(shè)計(jì)的電極圖形，可返回一個(gè)128點(diǎn)的結(jié)果。
其他可能性
很多設(shè)計(jì)師都利用QT芯片來(lái)替代電阻式觸摸屏。因?yàn)樵摲椒ㄖ恍枰獙瓮该鲗愉佋O(shè)在屏幕上用于感測(cè)，與多層電阻式技術(shù)相比，對(duì)光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來(lái)調(diào)配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據(jù)個(gè)人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器下載規(guī)格，或者自己運(yùn)行一個(gè)配置程序。
關(guān)鍵詞：電容式傳感器；非線性誤差；位移
引言
電容傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測(cè)量微小變化等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于位移、速度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量。在實(shí)現(xiàn)運(yùn)料車輛尋軌運(yùn)行至指定位置，進(jìn)行貨料稱重并完成卸載儲(chǔ)存的智能化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，利用電容式位移傳感器實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)，保障小車能夠準(zhǔn)確?？?，其調(diào)理電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文對(duì)此進(jìn)行了研究。
1智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)原理
智能化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，結(jié)合應(yīng)變片傳感器、電容傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構(gòu)成運(yùn)料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應(yīng)變片傳感器完成稱重功能，電容傳感器檢測(cè)位移，確定小車?？课恢?。
2電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
在本電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中采用差動(dòng)式電容傳感器，調(diào)理電路設(shè)計(jì)中采用二極管不平衡環(huán)形電路，差動(dòng)輸出的電容量在調(diào)理電路中分別是Cx1和Cx2，其調(diào)理電路如圖2所示。電容式傳感器調(diào)理電路由與非門組成的多諧振蕩器、LM324構(gòu)成的放大電路以及二極管不平衡環(huán)形電路構(gòu)成。圖2中，U1A和U1B兩個(gè)與非門之間經(jīng)電容C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時(shí)，兩個(gè)反相器都工作在放大區(qū)。由于電路完全對(duì)稱，電容器的充放電時(shí)間常數(shù)相同，可產(chǎn)生對(duì)稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經(jīng)過LM324運(yùn)放放大后，送給二極管不平衡環(huán)形電路。二極管不平衡環(huán)形電路中的Cx1和Cx2為電容傳感器的兩個(gè)差動(dòng)輸出的電容量，位移變化時(shí)，電容量發(fā)生變化。電容量的變化使得輸出端電壓含有直流分量，直流分量經(jīng)過低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統(tǒng)中該直流電壓大小對(duì)應(yīng)位移的變化，從而實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。二極管不平衡環(huán)形電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中，Cx1和Cx2為差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容量，D4~D7為特性相同的4個(gè)二極管。與非門組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)過放大后再經(jīng)C4，L1隔離直流和低頻干擾信號(hào)，在MO端的電壓uMO為正、負(fù)半周對(duì)稱的方波。在uMO正半周時(shí)，一路經(jīng)D4對(duì)Cx1充電，另一路經(jīng)D5對(duì)Cx2充電。在uMO負(fù)半周時(shí)，一路經(jīng)D6對(duì)Cx2充電，另一路經(jīng)D7對(duì)Cx1充電。若初始狀態(tài)下Cx1=Cx2時(shí)，C5兩端的電壓uC5是對(duì)稱的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是對(duì)稱的矩形波，沒有直流分量。當(dāng)Cx1≠Cx2時(shí)，C5兩端的uC5為正負(fù)半周不對(duì)稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經(jīng)過L2和C6低通濾波后，在輸出端得到不同極性的直流電壓Uo。
3電容式傳感器測(cè)位移實(shí)驗(yàn)
搭建電容式位移傳感器調(diào)理電路的測(cè)試平臺(tái)，隨著位移的變化電容傳感器電容量發(fā)生變化，從而調(diào)理電路輸出電壓UO發(fā)生變化，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到位移—輸出電壓的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示；對(duì)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，結(jié)果如表2所示。采用端點(diǎn)直線法，以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線，兩端誤差為零，中間大。取端點(diǎn)（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.
4結(jié)論
針對(duì)電容式位移傳感器設(shè)計(jì)的調(diào)理電路進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建和數(shù)據(jù)分析，采用端點(diǎn)直線法進(jìn)行擬合計(jì)算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設(shè)計(jì)的調(diào)理電路在實(shí)際應(yīng)用中有很大的實(shí)用價(jià)值，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量微小變化的位移。
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【關(guān)鍵詞】電容式壓力傳感器；誤差；干擾
0.概述
我們所處的時(shí)代是信息時(shí)代，信息的獲取、檢測(cè)要靠傳感器和傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空、常規(guī)武器、船舶、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、化工等技術(shù)領(lǐng)域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。壓力傳感器是目前所有傳感器種類來(lái)說(shuō)，是使用最多的傳感器，它的市場(chǎng)占有量也不不可估量的，那么它的各項(xiàng)技術(shù)也得根據(jù)市場(chǎng)需要，進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，以適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越苛刻的環(huán)境。
1.電容式壓力傳感器工作原理及其數(shù)學(xué)模型
1.1結(jié)構(gòu)介紹
電容式壓力傳感器主要由一個(gè)膜式動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動(dòng)電容器即敏感元件。敏感元件是由隔離膜片、電容固定極板、測(cè)量膜片、灌充液組成，以測(cè)量膜片為中心線軸對(duì)稱，測(cè)量膜片與兩側(cè)的金屬模構(gòu)成一對(duì)相等的平行板電容。如圖1所示。
圖1 敏感元件結(jié)構(gòu)圖
1.2工作原理
當(dāng)被側(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電量一個(gè)增大、一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。
圖2 電容式壓力傳感器工作原理圖
1.3壓力—電容轉(zhuǎn)換
如圖3所示，被測(cè)壓力通過高壓側(cè)隔離膜片，加到灌充液，液體流過瓷心孔進(jìn)入腔室，將壓力加到測(cè)量膜片上，膜片受力后發(fā)生位移，測(cè)量膜面與兩側(cè)構(gòu)成的電容值隨之變化，低壓側(cè)電容增加，高壓側(cè)電容減少。
圖3 平行板電容器
厚膜片位移與差壓轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系數(shù)；R：膜片周邊半徑；d：膜片中心處位移
t：膜片厚度；P：被測(cè)差壓；E：膜片材料的楊氏彈性恒量
薄膜片具有初始張緊，其位移與差壓轉(zhuǎn)換公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差壓作用于室時(shí)，中心膜片的位移 與差壓成正比。
1.4位移—電容轉(zhuǎn)換
由于固定極板凹面直徑很大，可視為平行板電容器，平行板電容C=。
ε為平行板中間介質(zhì)的介電常數(shù)；
A平行板電容的面積；
d平行板電容兩端間距。
PH：高壓室所受壓力；PL：高壓室所受壓力。
當(dāng)兩邊壓力相等時(shí)即PH=PL，初始電容量C=C=K
當(dāng)PH>PL，測(cè)量膜片位移為d，此時(shí)低壓側(cè)的電容為C=K（d0-d），高壓側(cè)電容為CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改變結(jié)構(gòu)系數(shù)K1即可實(shí)現(xiàn)不同量程的測(cè)量，將位移量轉(zhuǎn)換成
的變化。
1.5電容比—電流的轉(zhuǎn)換
解調(diào)器將流過CL、CH的交流電流解調(diào)成直流電流IL、IH，原理圖如圖4
圖4
2.電容式壓力傳感器的性能
2.1靜態(tài)特性
當(dāng)被測(cè)量X不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間的變化程度遠(yuǎn)緩慢與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量與輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以他們之間的關(guān)系即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量做橫坐標(biāo)把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.2動(dòng)態(tài)特性
當(dāng)被測(cè)量X隨時(shí)間變化，而且隨時(shí)間的變化程度與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。
在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。
3.影響電容式壓力傳感器精度的因素
電容式壓力傳感器直接接觸或接近被測(cè)對(duì)象而獲取信息，與被測(cè)對(duì)象同時(shí)都處于擾的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。壓力傳感器如果說(shuō)它的抗干擾能力不過硬，那么在它的價(jià)值上，也是個(gè)相差很大的，因?yàn)榈膽?yīng)用范圍受了很大的限制，所以市場(chǎng)前景也是得不到擴(kuò)大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問題。
3.1溫度影響
由于電容式傳感器極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應(yīng)盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料，如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來(lái)又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。化工冶金鍋爐等高溫環(huán)境下的壓力測(cè)試還可以通過改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進(jìn)一步提高傳感器的工作范圍靈敏度等。
3.2靜壓影響
金屬電容兩邊受壓，壓力經(jīng)隔離膜片傳遞到內(nèi)部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應(yīng)力得到全部抵消，但是Y方向的應(yīng)力q全部加在傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因，越靠近中心結(jié)構(gòu)越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)最大的擾度。在高靜壓下中心膜片向外的張緊力增加，膜片的緊繃程度相對(duì)工作靜壓為零時(shí)得到加強(qiáng)，并且工作靜壓越大其緊繃程度越大，中心膜片隨差壓的位移變小，產(chǎn)生誤差。并且靜壓影響絕對(duì)誤差，工作靜壓越大其量程的靜壓誤差越大。至于零位的靜壓誤差，則表現(xiàn)為方向的不確定，這主要由焊接應(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規(guī)律性。通過提高制造加工精度來(lái)減小靜壓誤差。
圖5 應(yīng)力分布和擾度變化圖
3.3邊緣效應(yīng)的影響
邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間各種區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一層金屬膜作為極板。
3.4寄生電容的影響
電容式壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，主要是指?jìng)鞲衅麟娙輼O板并聯(lián)的寄生電容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對(duì)大得多，往往使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響可縮小傳感器至測(cè)量線路前置極的距離將集成電流的發(fā)展、超小型電容器應(yīng)用于測(cè)量電路?？墒沟貌糠植考c傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。 [科]
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關(guān)鍵詞：電容、傳感器、負(fù)載
Abstract: This paper describes the capacitive sensor has good temperature stability, simple structure, good dynamic response, non-contact measurement can be achieved, with the average effect of the advantages of high output impedance, load capacity is poor, and shortcomings of the parasitic capacitance of the film, and Problems in the application.
Keywords: capacitors, sensors, load
1.電容式傳感器的特點(diǎn)
1）優(yōu)點(diǎn)
（1）溫度穩(wěn)定性好。電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系統(tǒng)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量：電感式傳感器有銅損、磁游和渦流損耗等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。
（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)車船及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。
（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個(gè)10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小、很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。
（4）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)。例如，非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減少工作表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
電容式傳感器除了上上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所以輸入和輸入能量極小，因而可測(cè)極低的壓力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨率高，能敏感0.01µm甚至更小的位移；由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)連接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。
2）缺點(diǎn)
（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差。電容式傳感器的容量受共電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾pF到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106―108Ω。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)極大的不便。阻抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍的環(huán)境如溫度、清潔度等。不采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不易保證工作的穩(wěn)定性。
（2）。電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其寢電容量都很小（幾pF到幾十pF），而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容（1―2m導(dǎo)線可達(dá)800pF），電子線路的雜散電容，以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（職電纜電容）常常的隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都有要求。
隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成技術(shù)的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)，而缺點(diǎn)不斷地得到克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。
2.應(yīng)用中存在的問題
1）邊緣效應(yīng)以上分析各種電容式傳感器進(jìn)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距d之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣疚的影響就不能忽略。這時(shí)，對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳感器。
邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等曜，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小及板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。
2）靜電引力 電容式傳感器兩個(gè)極板間因存在靜電場(chǎng)，因而有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件的情況下，必須考慮靜電引力造成的測(cè)量誤差。
3）溫度影響 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個(gè)方面。
（1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響：電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件料線膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)，可以滿足溫度誤差補(bǔ)償要求。
（2）溫度對(duì)介質(zhì)的影響：溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣數(shù)溫度系數(shù)看似為零：頁(yè)巖某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如，煤油的介電常數(shù)的溫度可達(dá)0.07%/°C；若環(huán)境溫度變化加減50°C，則將帶來(lái)7%的溫度的誤差，故采用此類介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差。
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