电容式传感器的应用和发展

电容式传感器的应用与发展

前言

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

关键词： 电容式传感器 应用发展

一、电容式传感器的基本工作原理

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为

图1.1平行板电容器

ε为电容极板间介质的介电常数, ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得上式中的A ，d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。

d

A c ε

=

当动极板移动

后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为

直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。

电容：

电容增量：

测量灵敏度： 图1.2直线位移型

此外，改变板间距d 或者电介质ε，便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式，结构形式如下图所示，

图1.3变间隙式 图1.4变间介电常数式

二、电容式传感器在应用中的注意事项

1．克服寄生电容的影响

电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF 到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。

2．克服边缘效应的影响

实际上当极板厚度h 与极距d 之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略；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。 x

∆x ∆

3．克服静电引力的影响

电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。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情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。

4．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。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。

三、电容式传感器的研究现状

随着电子科学技术的发展，电容式传感器在各行各业中得到了广泛的应用，下面介绍几种利用其原理制造的产品：

1. PT800 型压力变送器

PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式

传感器。可以自由选配模拟、数字现场显示表头。

有多种过程连接件，可以现场调零点、满量程。

广泛应用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的

测量。

2. MS8000系列加速度计

瑞士COLIBRYS公司生产的应用广泛的加速度传感器系列产品，适用

于惯性测量和倾斜测量中多个领域。此系列产

品具有结构坚固、功耗低、偏差稳定性优异等

特点，保证了杰出的输出可靠性。MS8000为微

硅电容式传感器，由一片经过微机械处理的硅

芯片，用于信号调整的低功率ASIC，用于存储

补偿值的微处理器，及温度传感器组成。此产

品功耗低，经过标定，结构坚固，输出稳定。新的电子配置为复位提供固态电源，为过电提供全面保护。

3. 电容式CR601A型液位变送器

可将各种液位参数的变化转换成标准电流信号，

远传至操作控制室，供二次仪表或计算机装置进行集

中显示、报警或自动控制。其良好的结构及安装方式，

可适用于高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞、防冷结等

特殊条件下液位的连续检测，可广泛应用于电力、冶

金、化工、食品、制药等各行业和污水处理、锅炉汽

包、煤粉包等场所的液位测量。

4.其它电容式传感器产品展示

总体来说，电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好以及对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。其缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。通过发扬优点克服缺点，电容式传感器已在工程设计尤其是自动化行业中发展迅速。

除了上述介绍的传感器以外，还有很多应用在各个行业的电容式传感器，如下表所示，

表3.1 各种电容式传感器

想了解更多关于传感器的产品信息和行业动态可以关注以下网站:

中国传感器网

传感器信息网等

四、电容式触摸屏引发的思考

目前，电容式触摸屏已

经逐渐广泛应用于消费电

子、便携式产品领域。从理

论上说，一根走线、间隔、

另一根走线，这就是组成一

个电容传感器的全部所需，

见图4.1所示。直接在这些

走线上覆盖一层绝缘透明

塑料膜即可使其成为电路

板的一部分。当手指或某物

体或人接近或者碰触到传

感器时，电容传感器会检测

(或称感测)到电容值的变

化见图 4.1(b)所示。这一技术有很多优势：工业设计差异化、内部完全密封防水、界面寿命、允许接近探测及电容式触摸屏应用。由于当今的家电更注重产品设计而非功能设计，可以预计电容感应将应用于更广泛的家电控制领域。电冰箱、洗碗机、灶具等等，都有独特的应用环境，向电容感应的应用提出了挑战。于是电容感应已经获得了广泛的工业支持，正在迅速成为业界的焦点。它己成为廉价而又耐用的传感技术。

图4.1基本形式

1.运作特征

实际的基本电容的传感器包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板(PCB)层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场，见图4.2所示。大部分的电场都会集中在传感器PCB 的两个板层之间。然而，会有一个边缘(fringe)电场由发射器产生并延伸至PCB外面，然后再回返至接收器上而终止。接收器上的电场强度是利用内建的积分三角(sigma-dedta)电容数字转换器来加以量测。电感传感器只