电容式传感器简介

电容式传感器的简介及应用

引言：电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它结构简单，体积小，分辨率高，可非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面测量。随着电容式测量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自动检测中得到了广泛的应用。

一． 电容式传感器(capacitive type transducer ）简介：

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电

容器。其最常用的形式是由两个平

行电极组成、极间以空气为介质的

电容器。若忽略边缘效应，平板电

容器的电容为εA/δ，式中ε为

极间介质的介电常数，A 为两电极

互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A 、ε 三个参

数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型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。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

二． 电容式传感器的分类：

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型。

1. 变极距型电容式传感器：一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间

距离d响应变化，从而引起电容量的变化。

因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位

移量⊿d。变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）

A——极板面积（m2）

do——极板间距初始距离（m）

传感器的这种变化关系呈非线性为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化。

2. 变面积型电容式传感器：由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电

容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。

3. 变介电常数型电容式传感器：被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心

圆柱型电极间变化时，引起极Array间不同介电常数的高度发生变

化，导致电容的改变。

若厚度 d 保持不变，介电常数εr 改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；若εr不变，可做成测厚传感器。

三．电容式传感器的特点：

优点：1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择

温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来

又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。

2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，

强磁场等恶劣环境中工作。

3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。

动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。

4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振

动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。

5、耗能低

缺点：1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗

很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。

2、寄生电容影响大：由于电容传感器的初始电容值一般较小，而连接传

感器的引线电缆电容（1~2m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导

体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，

影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的

影响。

四。电容式传感器的应用

1. 容式加速度传感器这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，

此质量块的两个

端面经过磨平抛

光后作为可动极

板。当传感器测量

垂直方向上的直

线加速度时，质量

块在绝对空间中

相对静止，而两个

固定电极将相对

质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使c1，c2中一个增大，一个减小。

2. 电容式压力传感器

将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。用于气体、液体、蒸气压力的测量。

当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展，今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。

参考文献：1.《电容式传感器灵敏度计算分析》王勇贞樊俊霞

2.《电容式传感器应用与发展》杨阳