电容式传感器研究现状及趋势
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电容式传感器研究现状及趋势
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电容式传感器研究现状及趋势
摘要：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，广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中。随着传感器的不断发展与成熟，电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。
（1）平板结构
平板结构变介质型电容式传感器原理如图e所示，由于在两极板间所加介质的分布位置不同，可分为串联型和并联型两种情况。
图（wk.baidu.com）
对于串联结构，可以认为是上下俩个不同介质电容式传感器的串联，介质改变后的电容增量为
对于并联结构，可认为是左右俩个不同介质电容式传感器的并联，介质改变后的电容增量为
可得，介质改变后的电容增量与所加介质的介电常数 成线性关系。【3】
图（c）
（2）角位移变面积型
角位移变面积型电容式传感器的原理如图d所示。
当动极板有一个角位移 时，与定极板间的有效覆盖面积将变为图中阴影部分，即
，
此时电容量为
可知传感器的电容改变量 与角位移 成线性关系。
变面积型电容式传感器也可以接成差动形式，灵敏度同样会加倍。
图（d）
1.2变介质型
变介质型电容式传感器就是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。
2.圆筒结构
如图 f 所示，为圆筒结构变介质型电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图，设被测介质的相对介电常数为 ，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时相当于俩个电容器的并联。对于筒式电容器，如果不考虑端部的边缘效应，可得总的电容值为
可得，电容增量 与被测液位的高度 成线性关系。
Key words:Capacitive sensors Working principleMeasurement circuitApplication
0引言
电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、动态响应好、电容量小（一般为几十到几百微法）、负载能力差、易受外界干扰产生不稳定现象等特点。传感器是可以将非电量转换为电量的一种器件，在通信技术中信息的捕获方面起着非常重要的作用，而作为众多类型传感器中的一种，电容式传感器有着许多优点，应用也非常广泛。
图（f）
1.3变极距型
（1）工作原理分析
当平板电容式传感器的介电常数和面积为常数，初始极板间距为 时，其初始电容量为
测量时，一般将平板电容的一个极板固定即定极板，另一个极板与被测体相连即动极板。如果动极板因被测参数改变而位移，导致平板电容极板间距缩小 ，电容量增大 ，则有
可知平板电容器间距的变化引起电容量的相对变化关系如图g所示
1.1变面积型
（1）线位移变面积型
对于平板状结构，当被测量通过移动极板引起两极板有效覆盖面积A发生变化时，将导致电容量变化。 结构原理图如图c所示。
设动极板相对于定极板的平移距离为 ，则电容为
——初始电容；
——电容的变化量。
电容的相对变化量为
由此可见，平板电容式传感器的电容该变量 与水平位移 成线性关系。【2】
由图可得即使相同的极板间距的改变 ，也可能引起不同的电容量的变化 ，因为平板电容式传感器在不同位置的灵敏度（曲线的斜率）是不一样 。 图（g）
经线性化除了可得电容增大量为
由此可见， 与 为近似线性关系。
（2）非线性分析
根据分析可知，变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器的输入量与输出电容量间的关系均为线性，只有变极距型电容式传感器的输入量与输出量间存在着非线性关系。但这是在忽略边缘效应下得出的结论，实际上由于边缘效应引起漏电力线，使极板间电场分布不均匀，因此，变面积型和变介质型电容式传感器仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型电容式传感器好得多。【4】
关键字：电容式传感器工作原理测量电路应用
中图分类号：TP212 文献标识码 A
apacitive sensor research present situation and the trend
Ji Xinyun
Abstract: capacitive sensor is to be measured into a capacitance change parameter type sensors, widely used in pressure, liquid level, displacement, etc. Various kinds of detection. With the continuous development of sensor and mature, the capacitive sensor as a promising new technology, the increasingly brought to the attention of the people.
1、电容传感器的基本结构及工作原理
该传感器是一种把被测的机械量，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。其最常见的结构包括平板状和圆筒状，简称平板电容器或者圆筒电容器。
平板电容式传感器的结构图如图a所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为
A,d——两平行板所覆盖的面积及之间的距离； ——电容极板间介质的介电常数和相对介电常数；
变极距型电容式传感器的灵敏度为
由
得
在实际应用中，为了既提高灵敏度，又减小非线性误差，通常采用差动结构，如下图所示
总上所述可知，变极距型电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了一倍，非线性误差因为转化为二次方关系而得以大大降低。
—— 自由空间（真空）介电常数， = 。
d、s、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。因此平板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。图（a）
圆筒电容式传感器的结构图如图b所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为
图（b）
当被测参数 或者 变化时，将导致圆筒电容式传感器的电容量C发生变化。因此圆筒电容式传感器可分为变介质介电常数的变介质型和变极板间覆盖高度的变面积型两类。【1】
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电容式传感器研究现状及趋势
摘要：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，广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中。随着传感器的不断发展与成熟，电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。
（1）平板结构
平板结构变介质型电容式传感器原理如图e所示，由于在两极板间所加介质的分布位置不同，可分为串联型和并联型两种情况。
图（wk.baidu.com）
对于串联结构，可以认为是上下俩个不同介质电容式传感器的串联，介质改变后的电容增量为
对于并联结构，可认为是左右俩个不同介质电容式传感器的并联，介质改变后的电容增量为
可得，介质改变后的电容增量与所加介质的介电常数 成线性关系。【3】
图（c）
（2）角位移变面积型
角位移变面积型电容式传感器的原理如图d所示。
当动极板有一个角位移 时，与定极板间的有效覆盖面积将变为图中阴影部分，即
，
此时电容量为
可知传感器的电容改变量 与角位移 成线性关系。
变面积型电容式传感器也可以接成差动形式，灵敏度同样会加倍。
图（d）
1.2变介质型
变介质型电容式传感器就是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。
2.圆筒结构
如图 f 所示，为圆筒结构变介质型电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图，设被测介质的相对介电常数为 ，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时相当于俩个电容器的并联。对于筒式电容器，如果不考虑端部的边缘效应，可得总的电容值为
可得，电容增量 与被测液位的高度 成线性关系。
Key words:Capacitive sensors Working principleMeasurement circuitApplication
0引言
电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、动态响应好、电容量小（一般为几十到几百微法）、负载能力差、易受外界干扰产生不稳定现象等特点。传感器是可以将非电量转换为电量的一种器件，在通信技术中信息的捕获方面起着非常重要的作用，而作为众多类型传感器中的一种，电容式传感器有着许多优点，应用也非常广泛。
图（f）
1.3变极距型
（1）工作原理分析
当平板电容式传感器的介电常数和面积为常数，初始极板间距为 时，其初始电容量为
测量时，一般将平板电容的一个极板固定即定极板，另一个极板与被测体相连即动极板。如果动极板因被测参数改变而位移，导致平板电容极板间距缩小 ，电容量增大 ，则有
可知平板电容器间距的变化引起电容量的相对变化关系如图g所示
1.1变面积型
（1）线位移变面积型
对于平板状结构，当被测量通过移动极板引起两极板有效覆盖面积A发生变化时，将导致电容量变化。 结构原理图如图c所示。
设动极板相对于定极板的平移距离为 ，则电容为
——初始电容；
——电容的变化量。
电容的相对变化量为
由此可见，平板电容式传感器的电容该变量 与水平位移 成线性关系。【2】
由图可得即使相同的极板间距的改变 ，也可能引起不同的电容量的变化 ，因为平板电容式传感器在不同位置的灵敏度（曲线的斜率）是不一样 。 图（g）
经线性化除了可得电容增大量为
由此可见， 与 为近似线性关系。
（2）非线性分析
根据分析可知，变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器的输入量与输出电容量间的关系均为线性，只有变极距型电容式传感器的输入量与输出量间存在着非线性关系。但这是在忽略边缘效应下得出的结论，实际上由于边缘效应引起漏电力线，使极板间电场分布不均匀，因此，变面积型和变介质型电容式传感器仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型电容式传感器好得多。【4】
关键字：电容式传感器工作原理测量电路应用
中图分类号：TP212 文献标识码 A
apacitive sensor research present situation and the trend
Ji Xinyun
Abstract: capacitive sensor is to be measured into a capacitance change parameter type sensors, widely used in pressure, liquid level, displacement, etc. Various kinds of detection. With the continuous development of sensor and mature, the capacitive sensor as a promising new technology, the increasingly brought to the attention of the people.
1、电容传感器的基本结构及工作原理
该传感器是一种把被测的机械量，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。其最常见的结构包括平板状和圆筒状，简称平板电容器或者圆筒电容器。
平板电容式传感器的结构图如图a所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为
A,d——两平行板所覆盖的面积及之间的距离； ——电容极板间介质的介电常数和相对介电常数；
变极距型电容式传感器的灵敏度为
由
得
在实际应用中，为了既提高灵敏度，又减小非线性误差，通常采用差动结构，如下图所示
总上所述可知，变极距型电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了一倍，非线性误差因为转化为二次方关系而得以大大降低。
—— 自由空间（真空）介电常数， = 。
d、s、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。因此平板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。图（a）
圆筒电容式传感器的结构图如图b所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容的计算公式为
图（b）
当被测参数 或者 变化时，将导致圆筒电容式传感器的电容量C发生变化。因此圆筒电容式传感器可分为变介质介电常数的变介质型和变极板间覆盖高度的变面积型两类。【1】