电容式传感器和电容的测量.pdf

P r o d u c t sF e a t u r e 赋容式传感器 电容的烈量 上海芸生微电子有限公司施林生 由于工业自动化程度的不断提高，对物体的探测的手段也不断提出新的要求。作为电子领域里的一个 最基本的物理量电容量的检测也愈来愈受到电子工程师的重视和推广。电容量通常是指一组导体( - - 个或 以上) 相互影响所形成的带电荷的能力，我们把这组相互影响的导体所构成的导体系称为电容器。比较常 见的有平板电容器和圆柱型电容器。形成电容器的这种导体系所构成的结构和形状，让大家设计出种种通 过探测电容的大小从而获得其他物理量的大小的电容式传感器，比如平板式电容传感器用于测量位移或平 板式电容压力传感器用于测量压力，圆柱型电容传感器用来测量液体的液位或物质的含水量等等。本文就 相关的电容传感器的原理和电容的测量作一些介绍。 二、电容式传感器 常用平板电容器计算公式为： C ：占彳：6 0 占r 彳 ( 1 )、 ， 其中，钉一真空介电常数，嗣尸8 8 5 x i 0 - 1 2 ( F m ) ；矿一材料介电常数； 一平板电容器的平板面积；卜二平行极板之间的距离。 该公式的成立条件是平板面积尺寸远大于平板之间的距离，否则，由于极板的边缘效应，平板电容 器的实际电容应该小于公式计算的值。 实际应用中通常采用圆板电极4 ，直径为r ，与之对应的是一个相近的平板电极，当二者距离很近时， 可以按平板电容器的公式计算。当二者距离有限远时( 州) ，二者之间的电容近似为： c = ! 学+ 6 0 9 r r ( - n 等一t 电容测量中的一个非常重要的条件往往被忽略，就是电容传感器的电场屏蔽问题。由于电容传感器的 构造使得传感器非常容易受到外界电磁场的干扰，包括外界物体的感应干扰，特别是平板电容式传感器等。 使用平板电容传感器要注意电磁场的屏蔽和使用场合。 2 0 1 0 0 糖7 嗍S e m n s 喇o r 踟W o r l d w w w - 糖n n 帕喇m V万方数据 为了减少外界的干扰和圆极板的边缘效应，通常在圆 板电极( 见图l 中的电极1 ) 外面加一个圆环( 保护环) ， 该圆环有二种接法。当圆环与圆板电极l 连接时，仅当圆 板电极l 上下移动时，可以减少动极板( 电极1 ) 的边缘 效应，使移动的圆板电极处于相对均匀的电场中，以改善 非线性，但是保护环外面的边缘效应仍然对电容值有干扰； 当圆环与电极2 连接时，它有较好的电场屏蔽功能。同时 需要指出的是，二种连接的方法所得到的电容值却是相同 的。 如果动极板( 电极1 ) 的距离变化巩并且d 远大于 X d ，那么电容C 与位移厶d 的近似关系为： C o + A C = 而6 0 6 r 4z 兰学( t + 等+ 等) = C o ( 1 + 掣a t + 乌d ( 3 ) - 式子中的平方项是非线性项。 电容变化的一级近似表达式为： 竺；丝 ( 4 ) 一= 一 I I Cd 、。 电容传感器的相对非线性误差为： & = I 吆| l o o ( 5 ) 2 、膜片式电容压力传感器 膜片式电容压力传感器，膜片四周是固定的，圆半径 为R ，极板间距离为d ，在压力P 的作用下，膜片只能作 小挠度移动。假如中心点的最大挠曲位移为A y ，在A y d 的情况下，电容变化的一级近似表达式为： 等= 3 A d y = 掣1 6 E 8 ! d ( 6 ) 一= = 一 I o C3 d 3 、7 其中，一泊松比4 卜膜片厚度； E 一膜片弹性模量。 与平板电容器相比，膜片式电容压力传感器的电容变 化量是它的三分之一。道理很简单，因为膜片只能作一个 挠曲位移的移动，中心点的最大位移是X y ，膜片的平均位 移大致是平板位移的三分之一。 3 、圆柱型电容传感器 圆柱型电容器的公式是： 。2 加射q 蠢 焉 黧勰一2 0 1 。0 0 7 ， 其中，三一圆柱体的高度； 尺。一内电极的外径； R 2 一外电极的内径。 该公式成立的条件是圆柱体的高度三应该远大于外电 极的内径R 2 。 圆柱型电容传感器有很好的电磁场屏蔽功能，尽管如 此，在圆柱体二端仍然有一些边缘效应存在，会有一点点 非线性。圆柱型电容传感器的好处就是解决了电磁场的屏 蔽问题，所测量的电容受外界的影响极小，只限于圆柱体 内的电容变化。 图2 为圆柱型电容式液位( 物位) 的测量原理图。电 容式液位仪通常是由二个直径不同的同心圆管所构成的圆 柱型电容器，内电极也常用实心圆柱体，在测量导电物质 时内电极需要绝缘。如果在圆柱型电容器的中间有液体或 粉末存在，则有： c = 睾L + 8 0 b 1 ) h ) = C o + C ( h ) ( 4 ) l l l 墨 墨 式中，矿一液体或物体的介电常数； 万方数据 P r o d u c t sF e a t u r e J 卜所测量的液位( 物位) 高度。 如果圆柱型电容传感器内的液位高度h 发生变化，那 么传感器的电容值也发生了变化，测量此时的电容值就可 以推算出物质的液位高度。由上式可以看出，液位的高度 h 与电容值之间是线性关系。 三、电容的测量 电容传感器的基本测量原理，通常是由其中的某一项 物理量发生变化，比如极板面积彳、物质的介电常数品、物 质的液位高度 等变化，从而引起电容值的变化，只要测 出该电容的值就可以计算出所要测量的相应物理量的变化 情况。 如果在电容传感器内的物质发生改变，也就是介电常 数晶发生了变化( 水8 0 ，酒精2 5 ，油2 ，空气1 ) ，那么 只要测出电容的变化值也就可以推断出在电容传感器内的 物质的变化情况，可以区分出不同的物质。 水是一种介电常数很大的物质，一方面由于材料的吸 湿性，会影响到材料的区分，但由此可以测量物质的含水 量；另一方面，材料的吸湿性可以用来作湿度传感器( 电 容式高聚物薄膜湿度传感器) 。 如果是物体的大小、形状发生了变化，也就是电容传 感器的面积彳发生变化，那么测出传感器的电容值就可以 识别不同的物体或区别物体的形状。 通常物质的介电常数是温度和振荡频率的函数，对有 些导电介质材料来说，比如水，振荡频率的变化对介电常 数的影响不是很大，频率范围可以从几十千赫兹到 1 0 M H z ；而对有些非导电介质材料，比如油，振荡频率的 变化对介电常数影响极大；频率上升时，介电常数变小较 为明显，通常振荡频率取较小变化范围( 几十赫兹到I M H z 的范围内) ，或者振荡频率相对不变，介电常数随频率的 变化就可以忽略( 图3 ) 。此时温度对介电常数的影响是 最大的，测量的电容值通常都需要进行温度修正。 四、C A V 4 4 4 简介 在电容式液位物位的测量、湿度传感器、物质的含水 量等应用中，通常要将电容值转换成工业上常用的电压信 号或者电流信号。德国A I V l G 公司( A n a l o gM i c r o e l e c t r o n i c s G m b H ) 开发的电容电压线性转换集成电路C A V 4 4 4 ( 见图 4 ) 【1 1 ，可以简单地将电容值转换成电压输出。 C A V 4 4 4 的最大特点是可以直接测量电容传感器的电 容变化，并将之转换成与之成线性关系的电压信号输出。 C A V 4 4 4 测量电容时，不需要参考电容，而是直接测量传 感器的电容值。C A V 4 4 4 输出的电压信号是差分电压信号， 该差分电压信号的零点和满度可以简单地用二个外接电阻 进行调准。这样的信号对后级信号再处理电路，比如A D 转换或单片机采集，或者直接变送4 2 0 m A 输出非常合适。 C A V 4 4 4 的测量电容范围在2 0 p F - 2 2 0 0 p F 之间。 C A V 4 4 4 的工作原理为：测量电容( 传感器C M ) 作为 内置测量振荡器的电容器，通过对它充放电产生振荡信号， 其振荡周期与测量电容大小成线性关系。通过频率一电压 ( f - u ) 转换电路和低通滤波器，最后输出一个直流电压 信号。经过一个零点和满度可调的输出级得到所希望的电 压信号输出值。输出电压与内置的参考电压即( 2 5 V ) 组成差分电压输出。C A V 4 4 4 的电容一电压传递函数如下： w = V D I F F + 盯= V r p A s + 即 = ( + 剐鼍警 + = K l + K 2 ( 9 ) 式中，K l 和局是常数。 由上式可知，通过C A V 4 4 4 测量的电容值C M 与输出 电压成线性关系，通常测量电容C M 是一个与温度有关的函 数。 乡2 0 1 0 0 7S e n s o r W o d d W W W s e n s o r w o d d G o r e G F I 万方数据 传感器世界2 0 1 0 0 7 氧 螂J 翻豫O 删正帅瑚 t 屏蔽层电缆迅速充放电。因此，在信号频率最大时它应有 足够大的负载电流输出。变化速率和负载电流是与信号频 率、振幅、电缆长度和形状有关。可以推荐的有双运算放 大器A D 8 6 0 2 ( S r = 5 V I t s ，厶。= 3 0 m A ，可做射极跟随器) 。 C A V 4 4 4 测量电容的输出信号可以直接送往后级的 A D 转换电路或单片机采集电路( 见图6 ) ，可以进行补 偿、寻址、线性化和数字输出。集成电路上的温度传感器 可以监测周边的温度并送往单片机，用来做温度补偿和监 控。当然C A V 4 4 4 的输出可以直接与变送电路相连输出二 线或三线的工业标准的4 2 0 m A 电流输出。 五、结束语 电容传感器的构造和测量在实际应用中比较复杂，不 但涉及到寄生电容和外界电磁场的影响，也涉及到温度、 湿度、测量介质和环境介质的影响。测量电路的复杂化常 使得电容的测量误差较大且不知是哪一方面所引起。 本文介绍了有关电容测量的方法和注意要点，同时介 绍了专用电容测量集成电路C A V 4 4 4 S O ，利用C A V 4 4 4 的 电容电压线性转换的良好特性以及测量范围大( 2 0 2 2 0 0 p F ) ，转换精度高( 0 1 ) ，温度漂移低( 1 5 0 p p m C ， - 1 4 0 1 0 5 ) ，可以在很多需要通过电容方式( 电容式传感 器) 实现测量、检测、监控的地方得到应用。 ( 下转1 3 页) I 万方数据 R e s e a r c h D e v e l o p m e n t 片机开发与应用，2 0 0 6 ，( 0 7 ) ：1 3 2 - 1 3 3 - l e n g t ho fam o v i n go b j e c ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r W i t ht h e 詈罢j 。竺叠登。黧曩之答变特征专黧匹配定位中的 。fsesc ，and删AO a d v a n t a g e si m p l t r ut u r e h i g ha c g u r a t e 应用【J 】计算机辅助设计与图形学学报，2 0 0 0 ，1 2 ( 2 ) ：1 4 6 1 4 9 9 【3 】舒付祥，孙继银一种基于灰度特征的图像匹配算法设计与研究 s t a b i l i t y , t h i sm e t h o dc a nb ea p p l i e di nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s 【J 】计算机工程与应用，2 0 0 2 ( 0 9 ) ：1 0 1 1 0 2 t O d e t e c tv e l o c i t ya n dl e n g t ho f o b j e c t sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s 【4 】谢凤英，姜志国基于互相关的显微医学图像配准 J 】中国体视 K e y w o r d s ：p i x