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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
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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
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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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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
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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
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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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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
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1、電容傳感器及其應用 電容傳感器及其應用 主要內容 5.1 電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的工作原理和結構 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）電容式傳感器的等效電路（自學） 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 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容傳感器及其應用 5.1 電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的工作原理和結構 由絕緣介質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，其電容量為 d S C （5-1） 電容傳感器及其應用 當被測參數變化使得S、 d或發生變化
2、時， 電容 量C也隨之變化。 如果保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個 參數， 就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通 過測量電路就可轉換為電量輸出。 電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介 電常數型三種。 電容傳感器及其應用 圖5-1 電容式傳感元件的各種結構形式 電容傳感器及其應用 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 電容傳感器及其應用 當傳感器的r和S為常數，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） 電容傳感器及其應用 圖5-3 電容量與極板間距離的關系 C C1 C2 Od1d2 C C1 C2 O d1d2 d 電容傳感器及其應用 在式（5-3）中，若d/d01時，則展成級數： 23 00 0000 11 dddd CCC dddd （5-4） 此時C與d近似呈線性關系，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的材料（云母、 塑料 膜等）作介質,
4、 如圖 5-4 所示，此時電容C變為 電容傳感器及其應用 0 0 0 d d S C g g （5-5） 式中：g云母的相對介電常數，g=7； 0空氣的介電常數，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 電容傳感器及其應用 g dgd0 0 圖5-4 放置云母片的電容器 電容傳感器及其應用 云母片的相對介電常數是空氣的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。最大 位移應小于間距的1/10， 故在微位移測量中應用最
5、廣。 電容傳感器及其應用 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 線性關系。 電容傳感器及其應用 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介質相對介電常數； 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與角位移呈線性關系。 電容傳感器及其應用 5.1.3 變介質型電容式傳感器變介質型電容式傳感器 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。 電容傳感器及其應用 圖5-7 電容式液位變換器結構原理圖 D d H h 1 電容傳感器及其應用 變介質型電容傳感器有較多的結構形式，圖5-8是一種 常用的結構形式。 圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數 為r2的電介質以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介 質的極板覆蓋面積。 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、其應用 0 2 0 0 0 ) 1( L L C CC C C r 若電介質 r 1=1, 當L=0時，傳感器初始電容 C0=0rL0b0/d0。 當被測介質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r2的移動量L成線性關系。 電容傳感器及其應用 圖5-8 變介質型電容式傳感器 L0 L d0 r1 r2 電容傳感器及其應用 表表5-1 電介質材料的相對介電常數電介質材料的相對介電常數 電容傳感器及其應用 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 非線性關系，當|d/d0|1時可略去高次項，得到近似的 線性關系： 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呈反比關系呈反比關系。 電容傳感器及其應用 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。 電容傳感器及其應用 在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差， 大都采用差動式結構。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變為d0-d，電容器C2的間隙d2變為d0+d, 則 0 02 0 01 /1 1 /1 1 dd CC dd CC (5-19) (5-20) 電容傳
11、感器及其應用 圖5-9 差動平板式電容傳感器結構圖 0 0 d1d2 C1 C2 S 電容傳感器及其應用 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，且轉換效率高，經過 低通放大器就有較大的直流輸出，調寬頻率的變化對輸出沒有 影響。 電容傳感器及其應用 5.5 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 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、及其應用 圖5-17為差動電容式壓力傳感器的結構圖。 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，構成差 動電容器。 當被測壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時， 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 經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。 電容傳感器及其應用 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構圖 6 2 1 C1 C2 5 d1 d2 4 3 1固定電極； 2絕緣墊； 3質量塊； 4彈簧； 5輸出端； 6殼體 電容傳感器及其應用 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， 質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量塊 在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電 容的間隙發生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生 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快和量程范圍 大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質。 電容傳感器及其應用 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成了兩個電容器 C1、C2。把兩塊極板用導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 ，如果帶材的厚度發生變 化， 將引起電容量的變化， 用交流電橋將電容的變化測出來， 經過放大即可由電表指示測量結果。 電容傳感器及其應用 圖 5-19 差動式電容測厚儀系統組成框圖 音頻信號發生器 音頻放大器全波整流器差動放大器 C0 C1 C2 R R C T
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，介質型傳感器可用來鑒別材質。介質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，天文望遠鏡鏡片微調，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，創新的電容位移測量技術，提供了納米測量能力，成本低，適合測量任何導電目標。
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、潤滑系統介質的含水率，特別是外部水容易滲入機械內部的軋鋼機、造紙機、汽輪 機、船舶機械。 監視循環油系統是否存在泄漏，如水冷卻器等。 監視工作機械的密封元件是否損壞，引起外部水滲入。 監視環境空氣濕度對潤滑液壓系統油品品質和含水率的影響。，從而精確測定潤滑油質量，預測設備故障，是設備潤滑油管理中的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，測量精度高，工作穩定，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、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。實現數據存儲，積算、傳輸和控制功能。普遍應用于大中型機械聯動機組的液壓、潤滑循環系統 例如：高線軋機和板帶軋機潤滑油系統、板帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統、汽輪發電機組潤滑系統、造紙機組潤滑系統、船舶機械潤滑系統、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雜質污染度，從而精確測定潤滑油質量，判定是否需要更換潤滑油，即可節約油料，又能預測設備故障，是設備潤滑油管理中改變傳統的按期換油，實現按質換油的關鍵部件。本傳感器采用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，是理想的在線潤滑油檢測傳感器，可普遍應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，實現數據存儲，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，介質型傳感器可用來鑒別材質。介質型傳感器可檢測玉米含水量。
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。
電容式傳感器的應用場合
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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