電容傳感器 應(yīng)用：電容傳感器
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電容傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
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。
電容傳感器是指將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)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(zhì)
一類傳感器
特 點
結(jié)構(gòu)簡單等
應(yīng) 用
測量金屬表面狀況等
學(xué) 科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點
3
應(yīng)用
4
改善方法
電容傳感器原理
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語音
由物理學(xué)知識可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為
式中，
——真空的介電常數(shù)，
=
；ε——極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，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(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，僅改變另一個參數(shù)，就可以把該參數(shù)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(zhuǎn)換為電信號輸出。根據(jù)電容器參數(shù)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(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(tài)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(yīng)小；⑤動態(tài)響應(yīng)快以及能在惡劣的環(huán)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(yīng)用
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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(zhì)的幾何尺寸（或稱物位），直線位移及角位移可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的，例如是直線振動及角振動。用于上述三類非電參數(shù)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(yù)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(nèi)。近年來已采用這種方法測量油膜等物質(zhì)的厚度。這類傳感器的動態(tài)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(jié)構(gòu)的合理性及寄生參數(shù)影響的消除。精度達到0.1μm，分辨力為0.025μm。可以實現(xiàn)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(shù)是采用電容式傳感器作轉(zhuǎn)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(yù)變換，將被測參數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
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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(jù)在傳感器電極和GND或人手之間產(chǎn)生的電容變化來檢測物體。傳感器電極可以是任何導(dǎo)電金屬，因此可以設(shè)計低成本且高度靈活的系統(tǒng)。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(shù)基礎(chǔ)：東北大學(xué)出版社，2013.12
2.
李田澤主編．傳感器技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用：海洋出版社，2015.05
3.
劉迎春，葉湘濱編著．傳感器原理 設(shè)計與應(yīng)用 第5版：國防工業(yè)出版社，2015.06
電容傳感器 應(yīng)用：電容傳感器及其應(yīng)用
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1、電容傳感器及其應(yīng)用 電容傳感器及其應(yīng)用 主要內(nèi)容 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性 5.3 電容式傳感器的等效電路（自學(xué)）電容式傳感器的等效電路（自學(xué)） 5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容傳感器及其應(yīng)用 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如 果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 d S C （5-1） 電容傳感器及其應(yīng)用 當被測參數(shù)變化使得S、 d或發(fā)生變化
2、時， 電容 量C也隨之變化。 如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個 參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通 過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介 電常數(shù)型三種。 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-1 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式 電容傳感器及其應(yīng)用 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 A r d 圖5-2 變極距型電容式傳感器 電容傳感器及其應(yīng)用 當傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時，由式（5-1）可 知其初始電容量C0為 0 0 0 d S C r （5-2） 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了 C，則有 0
3、0 0 0 0 1 rS C CCC d dd d （5-3） 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-3 電容量與極板間距離的關(guān)系 C C1 C2 Od1d2 C C1 C2 O d1d2 d 電容傳感器及其應(yīng)用 在式（5-3）中，若d/d01時，則展成級數(shù)： 23 00 0000 11 dddd CCC dddd （5-4） 此時C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只 有在d/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。 另外，在d0較小時，對于同樣的d變化所引起的C可以增 大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿 或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料 膜等）作介質(zhì),
4、 如圖 5-4 所示，此時電容C變?yōu)?電容傳感器及其應(yīng)用 0 0 0 d d S C g g （5-5） 式中：g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 電容傳感器及其應(yīng)用 g dgd0 0 圖5-4 放置云母片的電容器 電容傳感器及其應(yīng)用 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不 小于1000 kV/mm，而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片， 極板間起始距離可大大減小。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 pF之間， 極板間距離在m 的范圍內(nèi)。最大 位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測量中應(yīng)用最
5、廣。 電容傳感器及其應(yīng)用 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變， 從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方 向平移x時，則電容變化量為 0 0 r x b CCC d (5-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對變化量為 a x C C 0 (5-7) 這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈 線性關(guān)系。 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 b x a d x S 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-6 電容式角位移傳感器原理圖 動 極 板 定 極 板 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-6是電容式角位移傳
6、感器原理圖。當動極板有一 個角位移時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變， 從而改變了兩極板間的電容量。當=0時，則 0 00 0 d S C r (5-8) 式中： r介質(zhì)相對介電常數(shù)； d0兩極板間距離； S0兩極板間初始覆蓋面積。 電容傳感器及其應(yīng)用 當0時， 則 00 0 00 1 CC d S C r （5-9） 從式（5-9）可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 電容傳感器及其應(yīng)用 5.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 如圖5-7示。 此時變換器電容值為： d D n h C d D n h d D n H d D n hH d D n h C 1 )(2
7、 1 )(2 1 2 1 )(2 1 2 1 0 111 式中： C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 即 d D n H C 1 2 0 (5-10) 可見：此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 D d H h 1 電容傳感器及其應(yīng)用 變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，圖5-8是一種 常用的結(jié)構(gòu)形式。 圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù) 為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介 質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C為 0 201 0021 )( d LLL bCCC rr (5-11) 電容傳感器及
8、其應(yīng)用 0 2 0 0 0 ) 1( L L C CC C C r 若電介質(zhì) r 1=1, 當L=0時，傳感器初始電容 C0=0rL0b0/d0。 當被測介質(zhì)r2進入極板間L深度后，引起 電容相對變化量為 (5-12) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動量L成線性關(guān)系。 電容傳感器及其應(yīng)用 圖5-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 L0 L d0 r1 r2 電容傳感器及其應(yīng)用 表表5-1 電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 電容傳感器及其應(yīng)用 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性 前面已得到： 電容的相對變化量為 0 0 1 1 d d C C (5-13
9、) 當|d/d0|1時，按級數(shù)展開，可得 3 0 2 0000 1 d d d d d d d d C C (5-14) 電容傳感器及其應(yīng)用 可見，輸出電容的相對變化量C/C0與輸入位移d之間成 非線性關(guān)系，當|d/d0|1時可略去高次項，得到近似的 線性關(guān)系： 00 d d C C (5-15) 電容傳感器的靈敏度為 0 0 1/ dd CC K (5-16) 說明：單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化說明：單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化 的大小（即靈敏度）與的大小（即靈敏度）與d d0 0呈反比關(guān)系呈反比關(guān)系。 電容傳感器及其應(yīng)用 如果考慮式（5-14）中的線性項與二次項， 則 00
10、0 1 d d d d C C (5-17) 由此可得出傳感器的相對非線性誤差為 %100%100 |/| )/( 00 2 0 d d dd dd (5-18) 由式（5-16）與式（5-18）可以看出：要提高靈 敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著 d0的減小而增大。 電容傳感器及其應(yīng)用 在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差， 大都采用差動式結(jié)構(gòu)。如圖5-9示。 在差動式平板電容器中，當動極板位移d時，電容器 C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 則 0 02 0 01 /1 1 /1 1 dd CC dd CC (5-19) (5-20) 電容傳
11、感器及其應(yīng)用 圖5-9 差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 0 0 d1d2 C1 C2 S 電容傳感器及其應(yīng)用 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 1 0 U d d Uo （5-43） 電容傳感器及其應(yīng)用 同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有 1 U S S Uo （5-44） 由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面 積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過 低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有 影響。 電容傳感器及其應(yīng)用 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容傳感器
12、及其應(yīng)用 圖5-17為差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖中所示膜片 為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差 動電容器。 當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時， 所形成的 兩個電容器的電容量，一個增大， 一個減小。 該電容值的變化 經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。 電容傳感器及其應(yīng)用 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖5-18 差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 6 2 1 C1 C2 5 d1 d2 4 3 1固定電極； 2絕緣墊； 3質(zhì)量塊； 4彈簧； 5輸出端； 6殼體 電容傳感器及其應(yīng)用 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運
13、動時， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊 在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電 容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生 大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應(yīng)快和量程范圍 大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 電容傳感器及其應(yīng)用 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢 測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等， 與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器 C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個極， 而帶材就是 電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變 化， 將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來， 經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 電容傳感器及其應(yīng)用 圖 5-19 差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 音頻信號發(fā)生器 音頻放大器全波整流器差動放大器 C0 C1 C2 R R C T
電容傳感器 應(yīng)用：電容傳感器的應(yīng)用有哪些？
面積型可用來測量位移（較大位移），極距型傳感器可用來測量微小位移，介質(zhì)型傳感器可用來鑒別材質(zhì)。介質(zhì)型傳感器可檢測玉米含水量。
1、 ZCS1100型精密電容位移傳感器。本傳感器可以在線檢測壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測量等。該傳感器是一個單一的通道，高性能線性位移測量系統(tǒng)，創(chuàng)新的電容位移測量技術(shù)，提供了納米測量能力，成本低，適合測量任何導(dǎo)電目標。
2、FWS-CⅡ型在線電容式水分檢測傳感器。在線檢測各種工作機械的液壓、潤滑系統(tǒng)介質(zhì)的含水率，特別是外部水容易滲入機械內(nèi)部的軋鋼機、造紙機、汽輪 機、船舶機械。 監(jiān)視循環(huán)油系統(tǒng)是否存在泄漏，如水冷卻器等。 監(jiān)視工作機械的密封元件是否損壞，引起外部水滲入。 監(jiān)視環(huán)境空氣濕度對潤滑液壓系統(tǒng)油品品質(zhì)和含水率的影響。，從而精確測定潤滑油質(zhì)量，預(yù)測設(shè)備故障，是設(shè)備潤滑油管理中的關(guān)鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)可靠，測量精度高，工作穩(wěn)定，具有較強的抗電磁干擾性能。封閉型不銹鋼制外殼具有很好的防水防塵性能。可直接安裝于工廠現(xiàn)場液壓潤滑管道上。是理想的在線水分檢測傳感器。
該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，在線、連續(xù)、實時的檢測各種低水分油品的含水率。直接顯示，遠程控制和報警。實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。普遍應(yīng)用于大中型機械聯(lián)動機組的液壓、潤滑循環(huán)系統(tǒng) 例如：高線軋機和板帶軋機潤滑油系統(tǒng)、板帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)、造紙機組潤滑系統(tǒng)、船舶機械潤滑系統(tǒng)、燃料油庫。粘度計，污染度，濕度計電容式傳感器。
3、 FW-C1型電容式潤滑油實時在線監(jiān)測傳感器。本傳感器可以在線準確測定潤滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它機械化學(xué)雜質(zhì)污染度，從而精確測定潤滑油質(zhì)量，判定是否需要更換潤滑油，即可節(jié)約油料，又能預(yù)測設(shè)備故障，是設(shè)備潤滑油管理中改變傳統(tǒng)的按期換油，實現(xiàn)按質(zhì)換油的關(guān)鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)可靠，是理想的在線潤滑油檢測傳感器，可普遍應(yīng)用于各類大型動力機械，軸承，齒輪箱，泵機和汽輪機的潤滑油檢測質(zhì)量實時檢測中。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。
面積型可用來測量位移（較大位移），極距型傳感器可用來測量微小位移，介質(zhì)型傳感器可用來鑒別材質(zhì)。介質(zhì)型傳感器可檢測玉米含水量。
電容傳感器 應(yīng)用：電容式傳感器有哪些_電容式傳感器的應(yīng)用場合
電容式傳感器有哪些
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(zhì)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(shè)初始時兩極板距離為d0。當距離減小Δd時，則電容相應(yīng)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(guān)系。在誤差允許的范圍內(nèi)，通過略去高次項可得近似的線性關(guān)系，即電容式傳感器的靜態(tài)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(huán)境溫度變化的影響，實際應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)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(jù)應(yīng)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(fā)生線位移后，相對應(yīng)的電容變化為，其中K為靈敏度，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)。但是平行板型結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度會受影響，而圓筒形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)。當動筒移動后，兩筒重疊長度發(fā)生變化時，電容變化為：其中K為靈敏度。
3 變介質(zhì)型電容傳感器
變介質(zhì)型電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)導(dǎo)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(zhì)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(lián)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(guān)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(zhì)介電常數(shù)變化的電容式傳感器結(jié)構(gòu)和平行板電容器類似，當有一厚度未知，但相對介電常數(shù)已知的介質(zhì)通過極板間隙時，可以通過電容的改變得到介質(zhì)厚度。
電容式傳感器的應(yīng)用場合
電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)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(jié)果的影響：①減小環(huán)境溫度、濕度變化（可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化）；②減小邊緣效應(yīng)；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。
