电容式传感器

董少丽

200824121214

电子信息与机电工程学院

电子信息科学与技术2班当传感器与电容合作

摘要：此论文主要是论术本人对电容式传感器工作原理、器件特性和应用的认识和了解。

关键字：传感器，传感技术，电容式

传感器，Transducer or Sensor ，是一种能感受规定的被测量（如物理量、化学量、生物量等）并按一定规律转换成有用（与之有对应的关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置；它由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器中的敏感元件感受被测量并按照某种确定的关系将之转换为电量的其它量，再由转换元件转换为电量，然后经测量电路转换为有用电信号。即使这么说，还是觉得它很抽象吧。形象点说，传感器相当如人的五官（眼、耳、口、鼻、舌）和皮肤，采集各种信息并送入计算机进行处理，产生并发出各种控制信号到执行机构，从而实现智能化和自动化。而传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是信息技术、自动化技术和工程技术人员知识结构的重要组成部分。

传感器的技术特点是：内容范围广泛且离散；知识密集程度高、边缘学科色彩浓厚；技术复杂、工艺要求高；功能广、品种多、性能优；应用广。传感器的分类众多，可以按工作机理分类，按被测量分类，按被测量的性质不同分类，按敏感材料分类，按能量关系分类，按工作原理分类，按输出信号形式分类和按应用范围分类......如果按照工作原理分类，一般有：电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式、磁敏、湿敏、光纤式等。而现在要论述的就是电容式传感器。

电容式传感器，顾名思义，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量；现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：测量范围大；灵敏度高；动态响应好；小功率、高阻抗；机械损失小；结构简单，适应性强；但寄生电容影响大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。 电容式传感器的分类也是多种多样的，按工作原理可分为变间隙式（变极距型）、变面积式、变介电常数式（变介质型）；按极板结构分为平板式和圆柱式；按被测量分为位移、

压力、应力、湿度、温度等类型。 现在以平板电容器为例来说明其工作原理。

如图1-1所示，其电容为：

x M a b d N

cm pF d S d A C r r r εεεεπεεεεεε)/(3.610

000=-=--==介质相对介电常数真空介电常数极板间介质介电常数

当极板间距减小△d （令：△d=x ）后的电容为: C1 = εS / (do – x)

△ C / Co = (C1-C0) / C0 = x / (do – x )

这是实际非线性关系。

灵敏度Sn= (△ C / Co) /x=1/(d0-x )当 x 相

对于 do 很小时可以近似为 : do – x ≈do 时，

△ C / Co = x / do ，这是理想的线性关系。

理想情况下：Sn=1/d0

非线性误差： 图1-2 变极距型传感器的特性曲线

由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多，温度、电容电场边缘效应和寄生或分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些影响，如增大初始电容和加装等位环，静电屏蔽，电缆驱动......

图1-3 运算放大器式电路原理图 图1-4 差动式电容压力传感器结构图

电容式传感器的运放测量电路原理图如图1-3所示，图中Cx 为电容式传感器电容；Ui 是交流电源电压;Uo 是输出信号电压; Σ是虚地点。（传感器为平板电容，Cx=εS/d ）由运算放大器工作原理可得

d S C U U i o ε -=

此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d 成线性关系。

电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。

现以电容压力传感器为例说明其应用。如图1-4中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 0001)()()(d x d x d c c c c c c e L L S f =--=∆∆-∆=x 0 C

外壳p 1p 2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器

cb I C i U ∑i

I cx I C x o U A

现在传感器的应用十分广泛，其发展趋势逐渐趋向固态化、集成化、多功能化、图像化以及智能化。

上述就是到目前为止，我对传感器和电容式传感器的认识和了解。

刚拿到传感器课本时，我毫无概念；朋友问我“传感器是什么”时，我也答不出，我学电子专业的，可这都不懂，尴尬死了。现在我总算有点了解了，简单点说，传感器就是我们获取信息的其中一种途径。具体点说，所谓传感器，相当于我们的五官，通过敏感元件感受和采集所需的外界信息，再经传感元件将原始信息按某种规则转换为相应电量，供测量电路检测转变为有用电信号，以达到检测、控制的目的，为人类所服务。原来，传感器就在我们身边，我们每天都可能用到它（视频遥控器、电饭煲、空调、电冰箱、人体感应开关等等）。众所周知，21世纪是信息技术的时代，而传感技术又是现代信息技术的三大支柱之一，缺之不可。传感器现已广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗、军用科研、航空航天、现代办公设备、智能建筑和家用电器等领域。真无法想象，如果没有了传感器，我们的生活会怎样......

参考文献：

1.《传感器.CAI.ppt》科任教师李广才

2.《传感器原理及应用》（教科书）吴建平编著机械工业出版社，2008.10

3.《传感器原理与应用》作者：孟立凡、王莉

/view/734aeeea81c758f5f61f67a5.html

4.《电容式传感器》作者不详

/view/bcfbd7791711cc7931b716e8.html