电容式传感器

电容式传感器

摘要:本文从电容式传感器的工作原理，性能指标，优缺点，应用场合等多方面阐述了电容式传感器在现代社会所扮演的角色。文中还列举了国内外的多种电容式传感器的知名品牌，将他们的性能和价格都进行了对比。文中还设计了一个电容式传感器的应用实例。

关键词：电容式传感器，应用，品牌

Capacitive sensors

Summar：This paper described the role of the capacitive sensor in a modern society from the capacitive sensor works, performance, advantages, disadvantages, applications and other aspects. Also cited the well-known brands at home and abroad a variety of capacitive sensors, their performance and price were compared.Also designed a capacitive sensor application examples.

Keyword: Capacitive sensors, Application,Brand

一．概述

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。

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。

二．电容式传感器的工作原理

电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元

件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D 为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

三．电容式传感器的优点与不足

电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：

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，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。

2. 结构简单、适应性强

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；电容式传感器一般用金属作电极、以无机材料(如玻璃、石英、陶瓷等)作绝缘支承，因此能工作在高低温、强辐射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；能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。

3. 动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小(约几个N)，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，特别适合动态测量。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，如测量振动、瞬时压力等。

4. 可以实现非接触测量、具有平均效应

例如非接触测量回转轴的振动或偏心、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，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小(约

几个毫克)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。

然而，电容式传感器存在如下不足之处：

1、输出阻抗高、负载能力差

电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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106～108W 。因此传感器负载能力差，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不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上)，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低)，为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。

2. 寄生电容影响大

电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容(1～2m

导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

上述不足直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服，成为一种大有发展前途的传感器。

四．电容式传感器的性能指标

首尾连线法的线性度0．007 74

最小二乘法的线性度0．0049

灵敏度 1 020．246 mV/μm

分辨率0．001μm ／mV

五．比较国内外电容式传感器的价格

品牌SANKYO（日本）型号JP-A-PB-R1/8

类型电容式压力变送器价格1400.00元/psc

品牌KAVLICO(德国) 型号CCPS32/18