發布日期：2022-10-09 點擊率：66
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電容傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
電容傳感器是指將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上，它本身（或和被測物體）就是一個可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實 質
一類傳感器
特 點
結構簡單等
應 用
測量金屬表面狀況等
學 科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點
3
應用
4
改善方法
電容傳感器原理
編輯
語音
由物理學知識可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為
式中，
——真空的介電常數，
=
；ε——極板間介質的相對介電系數，在空氣中，ε=1；A——極板的重合面積，m2；δ——兩平行極板間的距離，m。上式表明，當被測量δ，A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，僅改變另一個參數，就可以把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型的應用較廣泛。
[1]
電容傳感器特點
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語音
電容傳感器有如下一些特點：①結構簡單；②動作時需要能量低，由于帶電極板間靜電吸引力很?。s幾個
N），因此電容傳感器特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題；③動態特性好，電容傳感器的相對變化量只受線性和其它實際條件的限制，如果使用高線性電路時，電容變化量可達100%或更大；④自然效應??；⑤動態響應快以及能在惡劣的環境下工作。但由于電容傳感器的初始電容較小，受引線電容、寄生電容的干擾影響較大；另一方面電容傳感器輸出特性為非線性。
[2]
電容傳感器應用
編輯
語音
電容傳感器可以直接測量的非電量為：直線位移、角位移及介質的幾何尺寸（或稱物位），直線位移及角位移可以是靜態的，也可以是動態的，例如是直線振動及角振動。用于上述三類非電參數變換測量的變換器一般說來原理比較簡單，無需再作任何預變換。用來測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往采用單極式變間隙電容傳感器，使用時常將被測物作為傳感器的一個極板，而另一個電極板在傳感器內。近年來已采用這種方法測量油膜等物質的厚度。這類傳感器的動態范圍均比較小，約為十分之幾毫米左右，而靈敏度則在很大程度上取決于選材、結構的合理性及寄生參數影響的消除。精度達到0.1μm，分辨力為0.025μm?？梢詫崿F非接觸測量，它加給被測對象的力極小，可忽略不計。測物位的傳感器多數是采用電容式傳感器作轉換元件。電容式傳感器還可用于測量原油中含水量、糧食中的含水量等。當電容傳感器用于測量其他物理量時，必須進行預變換，將被測參數轉換成d，S或ε的變化。例如在測量壓力時，要用彈性元件先將壓力轉換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
編輯
語音
為了提高電容傳感器的靈敏度、減小界干擾、寄生電容及漏電的影響和減小線性誤差，可采用以下措施：①由于當d減小時可使電容量加大從而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般可以在極板間放置云母片來改善；②提高電源頻率；③用雙層屏蔽線，將電路同電容傳感器裝在一個殼體中，可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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2020-07-250
響拇指電子
深圳響拇指電子科技有限公司
什么是電容傳感器？
什么是電容傳感器？電容傳感器是非接觸型傳感器，其根據在傳感器電極和GND或人手之間產生的電容變化來檢測物體。傳感器電極可以是任何導電金屬，因此可以設計低成本且高度靈活的系統。在了解電容式傳感器之前，首先要了解電容器。電容器是電子電路中常見的無源元件之一，是通過靜電電容來積蓄...
2019-08-230
參考資料
1.
張洪亭，王明贊編．測試技術基礎：東北大學出版社，2013.12
2.
李田澤主編．傳感器技術設計與應用：海洋出版社，2015.05
3.
劉迎春，葉湘濱編著．傳感器原理 設計與應用 第5版：國防工業出版社，2015.06
描述
電容式傳感器分為哪三種
電容式傳感器可分為3類，即極距變化型、面積變化型和介質變化型電容傳感器。
1 變極距型電容傳感器
以平行板電容器為例，上極板固定不動，下極板為動極板，設初始時兩極板距離為d0。當距離減小δd時，則電容相應增大。
可見，電容的相對變化與位移之間為非線性關系。在誤差允許的范圍內，通過略去高次項可得近似的線性關系，即電容式傳感器的靜態靈敏度為。如果只考慮二次非線性項，忽略其他更高次項，可得非線性誤差為：
非線性誤差隨著極距減小而增大，通常極距變化范圍為δd/d0≈0.1，因此，此類電容傳感器僅適用于較小位移的測量（0.01 μm～1 mm）。
為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時克服外界條件如電源電壓、環境溫度變化的影響，實際應用中常采用差動式的電容傳感器。差動電容器總電容變化為：
所以電容式傳感器做成差動式結構后，在同樣的位移相對變化時，非線性誤差大大降低，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。
2 變面積型電容傳感器
以平行板電容器為例的變面積型電容傳感器，當上極板移動時，兩極板間的相對覆蓋面積發生變化，從而引起電容的變化。這樣的傳感器可以用于位移測量。根據應用要求，有平行板型極板、圓筒型極板和鋸齒型極板等，這類傳感器具有較好的線性特性。
當動極板發生線位移后，相對應的電容變化為，其中K為靈敏度，其輸出與輸入成線性關系，靈敏度是常數。但是平行板型結構對極距變化特別敏感，測量精度會受影響，而圓筒形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。當動筒移動后，兩筒重疊長度發生變化時，電容變化為：其中K為靈敏度。
3 變介質型電容傳感器
變介質型電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質導致電容變化，利用這種原理制作的傳感器常被用來測量液體的液位（即電容式液位傳感器）和材料的厚度等。
同軸圓柱形電容器的初始電容為。測量時，電容器的介質一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時形成的電容，C2是空氣高度h-hx形成的電容，由于C1和C2可以等效看成并聯的兩電容器，所以總電容為：
可知，電容理論上與液面高度成線性關系，只要測出電容的大小，就可得到液位高度。
另一種測量介質介電常數變化的電容式傳感器結構和平行板電容器類似，當有一厚度未知，但相對介電常數已知的介質通過極板間隙時，可以通過電容的改變得到介質厚度。
電容式傳感器原理
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數為ε的電解質時，兩圓筒間的電容量為
式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內筒電極的直徑；e為中間介質的電介常數。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小，可判斷被測量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
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這里主要介紹電容式傳感器的原理、結構類型、測量電路及其工程應用。當被測量的變化使S、d或ε 任意一個參數發生變化時，電容量也隨之而變，從而完成 了由被測量到電容量的轉換。
根據當式中的三個參數中兩個固定，一個可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數型電容傳感器。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉換成電壓或其他電量的電路。
因此常，的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈沖寬度 制電路、運算放大器電路、二極管雙 T 形交流電橋和環行二極管充放電法等調。電路實際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分當，入量導致電容量發生變化時振，器的振蕩頻率就發生變化雖。可將頻率作為測量系統的輸出量用，判斷被測非電量的大小但，時系統是非線性的不，校正因，必須加入鑒頻器將，率的變化轉換為電壓振幅的變化經，放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來
。調頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，以測量高至 001 μm級位移變化量。號的輸出頻率易于用數字儀器測量，與計算機通信，干擾能力強，以發送、接收以達到遙測遙控的目的。因此，實際應用中，采用差動式結構，使靈敏度提高 1 倍，使非線性誤差大大降低，干擾能力增強。電容式傳感器具有如下特點
1） 結構簡單，適應性強 電容式傳感器結構簡單，易于制造，精度高；可以做得很小，以實現某些特殊的測量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測超高壓和低壓差。
2） 動態響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，可動部分可以做得小而薄，質量輕，因此固有頻率高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動態測量；可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如振動等。
3） 分辨率高 由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來解決輸入能量低的問題，如測量極小的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0001μm 甚至更小的位移。
4） 溫度穩定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數低的材料，又由于本身發熱極小，因此影響穩定性也極微小。
5） 可實現非接觸測量、具有平均效應 如回轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
不足之處是輸出阻抗高，負載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗更高，因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象；寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，破壞了穩定性，影響測量精度，因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅（測至 005μm的微小振幅），尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統中也常常用來作為位置信號發生器。
原標題：電容式傳感器可分為哪幾類?
根據上述原理，電容式傳感器可分為3類，即極距變化型、面積變化型和介質變化型電容傳感器。
1 變極距型電容傳感器
以平行板電容器為例，上極板固定不動，下極板為動極板，設初始時兩極板距離為d0。當距離減小Δd時，則電容相應增大，電容的相對變化為
可見，電容的相對變化與位移之間為非線性關系。在誤差允許的范圍內，通過略去高次項可得近似的線性關系，即電容式傳感器的靜態靈敏度為。如果只考慮二次非線性項，忽略其他更高次項，可得非線性誤差為：
非線性誤差隨著極距減小而增大，通常極距變化范圍為Δd/d0≈0.1，因此，此類電容傳感器僅適用于較小位移的測量(0.01 μm～1 mm)。
為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時克服外界條件如電源電壓、環境溫度變化的影響，實際應用中常采用差動式的電容傳感器。差動電容器總電容變化為：
所以電容式傳感器做成差動式結構后，在同樣的位移相對變化時，非線性誤差大大降低，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。
2 變面積型電容傳感器
以平行板電容器為例的變面積型電容傳感器，當上極板移動時，兩極板間的相對覆蓋面積發生變化，從而引起電容的變化。這樣的傳感器可以用于位移測量。根據應用要求，有平行板型極板、圓筒型極板和鋸齒型極板等，這類傳感器具有較好的線性特性。
當動極板發生線位移后，相對應的電容變化為，其中K為靈敏度，其輸出與輸入成線性關系，靈敏度是常數。但是平行板型結構對極距變化特別敏感，測量精度會受影響，而圓筒形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。當動筒移動后，兩筒重疊長度發生變化時，電容變化為：其中K為靈敏度。
3 變介質型電容傳感器
變介質型電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質導致電容變化，利用這種原理制作的傳感器常被用來測量液體的液位(即電容式液位傳感器)和材料的厚度等。
同軸圓柱形電容器的初始電容為。測量時，電容器的介質一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時形成的電容，C2是空氣高度h-hx形成的電容，由于C1和C2可以等效看成并聯的兩電容器，所以總電容為：
可知，電容理論上與液面高度成線性關系，只要測出電容的大小，就可得到液位高度。
另一種測量介質介電常數變化的電容式傳感器結構和平行板電容器類似，當有一厚度未知，但相對介電常數已知的介質通過極板間隙時，可以通過電容的改變得到介質厚度。
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