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電容式傳感器
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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。
中文名
電容式傳感器
外文名
capacitive type transducer
電容計算公式
εS/d
應 用
測量
發展時間
70年代末
所屬學科
自動化
目錄
1
簡介
2
原理
3
分類
4
優點
5
缺點
6
應用
電容式傳感器簡介
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語音
70年代末以來，隨著集成電路技術的發展,出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。
電容式傳感器原理
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語音
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。
[1]
電容式傳感器分類
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語音
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。
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電容式傳感器優點
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語音
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。
[3]
電容式傳感器缺點
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①輸出阻抗高，負載能力差。無論何種類型的電容式傳感器，受電極板幾何尺寸的限制，其電容量都很小，一般為幾十到幾百皮法(pF)，因此使電容式傳感器的輸出阻抗很高，可達
～
Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作。②寄生電容影響大。電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導體構成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測量靈敏度，而且引起非線性輸出。由于寄生電容是隨機變化的．因而使傳感器處于不穩定的工作狀態．影響測量準確度。
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電容式傳感器應用
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語音
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。
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電容式傳感器有哪些優點？
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。下面，我們一起來看看電容式傳感器的優點吧。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...
2020-11-120
閱讀68
參考資料
1.
錢愛玲，錢顯毅主編；郝傳永，陳麗華副主編；俞偉鈞，鮑玉軍參編．傳感器原理與檢測技術 第2版：機械工業出版社，2015.09
2.
姜香菊主編；吳蓉，范多進參編；張友鵬主審．傳感器原理及應用：機械工業出版社，2015.03
3.
沈潔，謝飛主編；于玲，王欣，張益副主編．自動檢測與轉換技術 第2版：清華大學出版社，2015.01
4.
樊久銘，劉彥菊主編．工程力學實驗=experiments in engineering mechanics：哈爾濱工業大學出版社，2015.08
5.
胡向東，唐賢倫，胡蓉編著．現代檢測技術與系統=Modern Detecting Technologies and System,：機械工業出版社，2015.02
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1、 第三章 電容式傳感器3.1 電容式傳感器工作原理和結構 3.2 電容式傳感器等效電路3.3 電容式傳感器測量電路3.4 電容式傳感器應用2 3.1 電容式傳感器工作原理和結構 一、基本工作原理電容式傳感器的三種類型:變極距型、變面積型和變介電常數型。(l 4 考慮了電容器的損耗和電感效應, 電容式傳感器的等效電路。一、電容式傳感器等效電路3.2 電容式傳感器等效電路根據等效電路,電容式 傳感器有一個諧振頻率,通 常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時,諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此,工作頻率應該選擇低 于諧振頻率。并聯損耗電阻 R p :表示極板間的泄漏電阻和介質損耗。 并聯損耗低頻
2、時影響大,隨著工作頻率增高,容抗減小,影響就減弱。串聯損耗電阻 R s :引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。 電感 L :電容器的電感和外部引線電感。 17 二極管雙 T 形交流電橋電路中, e 為高頻電源,提供了幅值為 U 的對 稱方波, V D1、 V D2為特性完全相同 的兩只二極管, R 1、 R 2為阻值相等 的兩個固定電阻, C1、 C 2為傳感器的兩個差動電容。 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(1傳感器沒有輸入 C 1=C2當 e 為正半周時,二極管 V D1導 通、 V D2截止,則電容 C1被以極短的時間充電至 U 。在前負半周時,電容 C 2已經充
3、電至電壓 U 。1、電路基本結構2、基本工作原理22 二極管雙 T 形交流電橋電路中, e 為高頻電源,提供了幅值為 U 的對 稱方波, V D1、 V D2為特性完全相同 的兩只二極管, R 1、 R 2為阻值相等 的兩個固定電阻, C1、 C 2為傳感器的兩個差動電容。 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(1傳感器沒有輸入 C 1=C2當 e 為正半周時,二極管 V D1導 通、 V D2截止,則電容 C1被以極短的時間充電至 U 。在前負半周時,電容 C 2已經充電至電壓 U 。1、電路基本結構2、基本工作原理23 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(
4、1傳感器沒有輸入時 C 1=C2電源經 R 1以 I 1向 R L 供電,而電容 C 2經電阻 R 2和負載電阻 R L 放電,流過 R L 的 電流為 I 2。流過 R L 的總電流 I L 為 I 1和 I 2的 代數和。2、基本工作原理同理,當 e 為負半周時,流過負載電 阻 R L 的電流為 I 1和 I 2的代數和。根據所給的條件,在一個周期內流 過負載電阻上平均電流 I 1=I2、 I 1=I 2且方 向相反,流過 R L 的平均電流為零。24 三、二極管雙T形交流電橋3.3 電容式傳感器測量電路(2傳感器有輸入時 C 1 C 2當 R L 一定時,引入常數 M ,在一 個周期內輸
5、出電壓平均值可簡寫為2、基本工作原理(21C C MUf U o=當電源確定后,輸出電壓是電容 C 1和 C 2的函數。(3雙 T 電路的特點 線 路 簡 單 , 可 全 部 放 在 探 頭 內,大大縮短了電容引線、減小了分 布電容的影響;電源周期、幅值影響 靈敏度,要求高度穩定; 輸 出 阻 抗 與 電 容 無 關,克服了電容式傳感器高 內阻的缺點;適用于具有線性特性 的單組式和差動式傳感器。26在環形二極管充放電法測量 電容電路中,高頻方波信號源, 通過環形二極管電橋,對被測電 容進行充放電,環形二極管電橋 輸出一個與被測電容成正比的微 安級電流。四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容
6、式傳感器測量電路1、電路基本結構輸入方波加在電橋的 A 點和 地之間, C x 為被測電容, C d 為平 衡電容傳感器初始電容的調零電 容, C 為濾波電容, A 為直流電 流表。二極管雙 T 形交流電橋的改進27(1 當輸入的方波由 E 1躍變到 E 2時,電容 C x 和 C d 兩端的電壓皆由 E 1充 電到 E 2。電容 C x 的充電電流為 i 1, C d 的充電 電流為 i 3。在充電過程中 T 1這段時間 內, V D2、 V D4一直處于截止狀態,由 A 點向 C 點流動的電荷量為四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容式傳感器測量電路在放電過程中 T 2這段時 間內, V
7、 D1、 V D3截止,由 C 點向 A 點流過的電荷量為2、基本工作原理(121E E C q d=(2 當輸入的方波由 E 2返回到 E 1時, C x 、 C d 放電,兩端的電壓由 E 2下 降到 E 1,放電電流分別為 i 2和 i 4。(122E E C q x=28(3 設方波的頻率 f=1/T0即每秒 鐘要發生的充放電過程的次數,由 C 點 流向 A 點的平均電流為 I 2, 從 A 點流向 C 點的平均電流為 I 3, 流過從 C 至 A 支路的 瞬時電流平均值為四、環形二極管充放電測量電路3.3 電容式傳感器測量電路環形二極管充放電測量 電路的輸出電流 I 正比于傳感
8、器電容值的增量C x 。2、基本工作原理( ( (d x d x C C E f E E f C E E f C I I I=(4 令 C x 的初始值為 C 0,C x 為 C x 的增量, C x=C0+C x 。初始調節 C d=C0,則有xd x C E f C C E f I=(29 差動脈沖調寬電路,通過對 傳感器電容的充放電,使電路輸 出脈沖的寬度隨傳感器電容量變 化而變化。通過低通濾波器,被測量的 變化轉換為直流信號輸出。 五、脈沖寬度調制測量電路3.3電容式傳感器測量電路當接通電源后,若觸發器 Q 端為高電平,則觸發器通過 R 1對 C x1充電。2、基
9、本工作原理1、電路基本結構C x1、 C x2為差動式傳感器的兩 個電容;若用單組式,則其中一 個為固定電容,其電容值與傳感 器電容初始值相等; A 1、 A 2是兩 個比較器, U r 為其參考電壓。30 當 F 點電位 U F 升到與參考電壓 U r 相等時,比較器 A 1產生一脈沖 使觸發器翻轉,使 Q 端為低電平。 此時,電容 C x1通過二極管 V D1迅 速放電至零,而觸發器經 R 2向 C 2充電。五、脈沖寬度調制測量電路3.3 電容式傳感器測量電路2、基本工作原理當 G 點電位 U G 與參考電壓 U r 相等時,比較器 A 2輸出一脈沖使 觸發器翻轉。此時,電容 C x2通過
10、 二極管 V D2迅速放電至零。如此交替激勵。因此,電路充放電的時間, 即觸發器輸出方波脈沖的寬度受 電容 C x1、 C x2的調制。31 3.4 電容式傳感器應用 三、電容式加速度傳感器 基本結構： 兩個固定極板間有一個 用彈簧片支撐的質量塊m，質 量塊的兩端面經拋光后作為 動極板。 絕緣體 定極板1 C1 彈簧片 m a 基本原理： 當傳感器測量豎直方向 的振動時，因m的慣性作用， 使其相對固定電極產生位 移，兩個差動電容器C1 和C2 定極板2 質量塊（動極板） 的電容發生相應的變化，其 中一個變大，另一個變小。 C2 36 3.4 電容式傳感器應用 四、電容式傳感器其他應用 （1）電容式液位計 （2）電容式料位計 （3）電容式濕敏傳感器 （4）電容式鍵盤 （5）電容傳聲器 （6）生物識別技術 硅電容指紋圖像傳感器： 最常見的半導體指紋傳感器，通過電子 度量來捕捉指紋。在半導體金屬陣列上能結 合大約100,000個電容傳感器。 駐極體電容傳聲器 37
描述
在石油、鋼鐵、電力、化學等生產工藝過程中壓為是非常重要的參數。此外，在機械制造技術方面，從小批量生產到連續程序控制．從小規模的設備到大規模的成套設備和不斷發展的多功能的成套設備．都需要大量的壓力傳感器。為廠使這些復雜化、大規模化的成套設備能安全運轉，對壓力傳感器的可靠性和穩定性的要求也越來越高．
下面就性能良好，可靠性高的電容式傳感器加以敘述，如下圖。
測量壓力有表壓力及絕對壓力測量二種方式。表壓測量采用以大氣壓為基準測容器內壓力的方法。絕對壓力的測量是采用以絕對真空為基準而測容器內壓力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表壓傳感器將低壓例制成對照大氣開口的結構；而絕對壓力測量則把低壓設在真空室的結構．對高壓和低壓兩例的接觸溶液膜加壓后，通過密封液加到感壓膜上，感壓膜（可變電極）接著高壓側和低壓側的壓力差成正比地改變位置，感壓膜的位移，使膜與兩側固定電極之間形成路電容運差，這個靜電容放差位經電路轉換、放大后就變成4-20mADc的輸出信號。
該傳感器的特點：
1、具有能實現高可可靠性的簡單盒狀結構；
2、具有0.2%、50度的高溫特性；
3、小型輕量和耐振性強
4、測量范圍寬．
5、溫度范圍寬
6、內有指示針
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