發布日期：2022-10-09 點擊率：87
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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
編輯
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小（約幾個
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自然效應小；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。可以實現非接觸測量，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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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
一、根據電容式傳感器的工作原理，分為三種類型：
1、變極板間距的變極距型
變極板間距型電容式傳感器的特點：電容量與極板間距成反比。主要用于測量位移量。
2、變極板覆蓋面積的變面積型
變極板覆蓋面積型電容傳感器的特點：電容量與面積改變量成正比。主要用于合測量線位移和角位移。
3、變介質介電常數的變介質型
變介襲質型電容傳感器的特點：利用不同介質的介電常數各不相同，通過改變介質的介電常數實現對被測量的檢測， 并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。
主要用于介質的介電常數發生改變的場合。
二、按測量原理分類
根據測量原理不同，電容式傳感器分為變面積型傳感器、變極距型傳感器、變介質型傳感器。
1、面積變化型一般用于測量角位zhidao移或較大的線位移。
2、極距變化型一般用來測量微小的極距變化。
3、介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。
優點
1、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，這有利于選擇溫度系數低的材料，又因本身發熱極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發熱產生零漂。
2、結構簡單
電容式傳感器結構簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。
3、動態響應好
電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N)，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態測量。
又由于其介質損耗小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。
4、可以非接觸測量且靈敏度高
可非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，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。
電容式傳感器除了上述的優點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能感應0.01μm甚至更小的位移。
由于其空氣等介質損耗小，采用差動結構并接成電橋式時產生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。
根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高等特點。
擴展資料：
一、優點
1、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，這有利于選擇溫度系數低的材料，又因本身發熱極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發熱產生零漂。
2、結構簡單
電容式傳感器結構簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。
3、動態響應好
電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N)，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態測量。又由于其介質損耗小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。
二、相關應用
電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響：
①減小環境溫度、濕度變化(可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化)。
②減小邊緣效應。
③減少寄生電容。
④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離)。
⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
參考資料來源：百度百科－電容式傳感器
根據電容式傳感器的工作原理，可將其分為3種：變極板間距的變極距型、變極板覆蓋 面積的變面積型和變介質介電常數的變介質型。
變極板間距型電容式傳感器的特點是電容量與極板間距成反比，適合測量位移量。 變極板覆蓋面積型電容傳感器的特點是電容量與面積改變量成正比， 適合測量線位移和角位移。 變介質型電容傳感器的特點是利用不同介質的介電常數各不相同，通過改變介質的介電常數實現對被測量的檢測， 并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。 適合于介質的介 電常數發生改變的場合。
根據測量原理不同，電容式傳感器可分為變面積型傳感器；變極距型傳感器；變介質型傳感器。極距變化型一般用來測量微小的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。
光敏式
壓力式
濕度式
電容式傳感器的分類及原理
以電容器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進行位移測量。
(1).變極距式電容傳感器
圖2是空氣介質變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量的變化量⊿C，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移量⊿d。
變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達，即
式中：ε——真空介電常數（8.85×10-12F/m）
A——極板面積（m2）
do——極板間距初始距離（m）
傳感器的這種變化關系呈非線性，如圖3所示。
當極板初始距離由do減少⊿d時，則電容量相應增加⊿C，即
電容相對變化量⊿C/Co為
由于，在實際使用時常采用近似線性處理，即
此時產生的相對非線性誤差γo為
這種處理的結果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖4所式。
為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這種傳感器的結構，如圖5所示。它有三個極板，其中兩個固定不動，只有中間極板可產生移動。當中間活動極板處于平衡位置時，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動極板向右移動⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為
傳感器的相對非線性誤差γo為
不難看出，變極距式電容傳感器改成差動之后，不但非線性誤差大大減小，而且靈敏度也提高了一倍。
(2).變面積式電容傳感器
圖6是變面積式電容傳感器結構示意圖，它由兩個電極構成，其中一個為固定極板，另一個為可動極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質不變（即電介質常數不變），當兩極板完全重疊時，其電容量為
Co=⊿A/d
當動極板繞軸轉動一個α角時，兩極板的對應面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來，就實現了角位移轉換為電量的電測變換。
電容式位移傳感器的位移測量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測量精度較高，其分辨率可達0.3um。
描述
電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉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。
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。
電容式傳感器分類
根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平（圓形）板形和圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優于單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高等特點。
電容式傳感器的幾種基本形式
實際應用時，常常僅改變三參數之一以使其變化。所以電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距（變間隙）型、變面積型型和變介電常數型稱重傳感器。
電容式傳感器的三種基本結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種每一種又依據傳感器權板形狀分成平板和圓形或圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他的形狀、但一般很少用，故表中未列出。其中差動式傳感器一般優于單組（單邊）式傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高。
1．變極匝型電容式傳感器
變極距型電容式傳感器用一個固定極扳和一個可動極板構成：可動極板由被測金屬平面充當。當電容式傳感器極板間距因被測量變化而變化時．電容變化量為極距是時的初始電容量。
極板間距的變化不是線性關系說明該類型電容式傳感器存在著原理性非線性誤差．即量程遠小于兩極板問的初始距離）時，可以認為么是線性關系，因此，這種類型的傳感器一般用來測量微小的位移變化量。
但在極板間距過小時，電極表面的平面度對靈敏應有影響，同時還容易引起電容器擊穿，
因此．極板間距不能無限小。改善的辦法是在極板間增放一片云母片或塑料膜。
云母的相對介電系數為空氣的7倍其擊穿電壓不小于l0的3次方kv／mm，而空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm，即使厚度為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也術小于10kv／mm。因此，放置云母片后，極板之間的起始距離卸可以大大減小。只要云母片選得恰當，就能獲得較好的線性關系拉繩位移傳感器。
一般電容式傳感器的起始電容約為20PF一30pF之間，極板間距在25um一200um左右，最大位移應該大于間距的1/10.
實際使用中，為改善非線性，提高靈敏度及克服某些外界條件如電源電比、環境溫度變化的影響等、常常采用茲動式結構，在未開始測量的初始狀態時，將可動極板調整友中間位置，位兩邊電容相等；測員時。中間極板跟隨被測對象上下移動，就會引起上下兩部分的電容量上增下減或上減下增，所以兩邊電容的控值這樣提高了靈敏廢，問時在零點附近作的線性度也得到了改善。
需要指出，圓柱形極板小能制成交權距利。
2．變面積（s）型電容式傳感器
變四積型電容式傳感器中．平板形結構對圾距變化特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結構受權板徑向變化的影響很小v成為實際應用中最常來只結構．其干線位移單組式的電容量在忽略邊緣效應時為電容傳感器的電容變化與線位移成正比。
3．變介電常數（e）型電容式傳感器
變介電常數（c）型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位、還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣故應，表5—l中單組式平板形線位移傳感器的電容量與介質線位移的關系為固定極板的長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度。
由此可見，電容量與線位移呈線性關系。
厚度傳感器中的電容量與厚度的關系為式中的符號含義與式相同。由此可見，電容量與厚度之間呈非線性關系。
應該注意的是，如果電極之間的被測介質導電時，在電極表面應涂覆絕緣層，以防止電極間短路。
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