电容式传感器的特点及应用中存在的问题

电容式传感器的特点及应用中存在的问题

张文杰

保定天翔集团毛纺织有限责任公司河北保定071000

摘要：本文阐述了电容式传感器有温度稳定性好、结构简单、动态响应好、可以实现非接触测量，具有平均效应的优点，输出阻抗高，负载能力差、寄生电容影的及其缺点，以及在应用中存在的

问题。

关键词：电容、传感器、负载

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.电容式传感器的特点

1）优点

（1）温度稳定性好。电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系统低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，供电后产生热量：电感式传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。

（2）结构简单。电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强车船及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。

（3）动态响应好。电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小、很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

（4）可以实现非接触测量，具有平均效应。例如，非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减少工作表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除了上上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所以输入和输入能量极小，因而可测极低的压力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率高，能敏感0.01µm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构连接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。

2）缺点

（1）输出阻抗高，负载能力差。电容式传感器的容量受共电极的几何尺寸等限制，一般只有几pF到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106—108Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。阻抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。不采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。

（2）。电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其寝电容量都很小（几pF到几十pF），而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1—2m导线可达800pF），电子线路的杂散电容，以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（职电缆电容）常常的随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。

随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬，而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。

2.应用中存在的问题

1）边缘效应以上分析各种电容式传感器进还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘疚的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器。

边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等曜，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小及板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。

2）静电引力电容式传感器两个极板间因存在静电场，因而有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件的情况下，必须考虑静电引力造成的测量误差。

3）温度影响环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面。

（1）温度对结构尺寸的影响：电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器

各零件料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙相对变化，从而产生很大的温度误差。

在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关，可以满足温度误差补偿要求。

（2）温度对介质的影响：温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气数温度系数看似为零：页岩某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如，煤油的介电常数的温度可达0.07%/°C；若环境温度变化加减50°C，则将带来7%的温度的误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。

参考文献：

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作者简介：

张文杰（1974-）男，大专，助理工程师，研究方向：机电工程，工作单位：保定天翔集团毛纺织有限责任公司