發布日期：2022-10-09 點擊率：63
電容傳感器主要用來測量力學方面的物理量。
電容傳感器，是一種將其他量的變換以電容的變化體現出來的儀器。其主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構成，在壓力作用下，薄膜產生一定的形變，上下級間距離發生變化，導致電容變化，由電容的變化可得到壓力的變化。
根據測量目的的不同，改變（設計）電容傳感器的結構，可以對多種物理量進行測量。
將電容傳感器的電極做成膜片狀，來感受空氣中聲音的振動，可以做成話筒；
將電容傳感器的兩電極之間的支架做成隨壓力變形的承重結構，由支架隨壓力變形導致電極距離（電容）變化，可以測量橋梁的振動或電子秤的測量元件；
將電容傳感器的兩電極之間的支架采用隨溫度變形的材料，由支架隨溫度變形導致電極距離（電容）變化，可以用來測量溫度；
將流體的壓強引導到膜片狀電極表面，時電極（膜片）發生位移，可測量流體壓強；
…………
電容傳感器是利用電容量變化原理來檢測一些非電量，把非電量轉化成頻率、電壓、電流等。
常用的有
電容式壓力傳感器檢測壓力；
電容式位移傳感器測量（零件尺寸、壓力、液位等）；
電容式聲壓傳感器；
電容式水分傳感器等。
調頻電路。電容傳感器是振蕩電路中的選頻元件。電容值變化引起振蕩頻率變化，由頻率值表征被測物理量變化。交流電橋電路。傳感器電容變化，引起電橋失衡，橋路輸出變化。橋路輸出變化表征被測物理量變化。
用來高精度測量位移量的比較多，例如ZNXsensor電容位移傳感器，其利用電容原理測量位移量，精度可以達到納米級。
ZNXsensor電容位移傳感器，其利用電容原理測量位移量，精度可以達到納米級。
電容式傳感器的優缺點
1、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。
1、缺點
（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。
簡單來說，就是什么物體都可以檢測，但是檢測距離不遠。
1引言
用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器；根據不同非電學量的特點設計成的有關轉換裝置稱為傳感器，而被測的力學量（如位移、力、速度等）轉換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。
從能量轉換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到1～5 μm數量級；而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個數量級，最大量程為100±5 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。
對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優點：
(1)測量范圍大其相對變化率可超過100%；
(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數量級；
(3)動態響應快因其可動質量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態測量，也可靜態測量；
(4)穩定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環境下的檢測難題。
2原理及應用
電容傳感器的工作原理是利用力學量變化使電容器中其中的一個參數發生變化的方法來實現信號變換的。根據改變電容器的參數不同，電容傳感器可有3類：
2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器
圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當2塊極板完全遮蓋時的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質的介電常數為ε。當忽略邊緣效應時，該電容器的電容量為：
如果其中一塊板極相對另一極板轉過θ角，則極板間的相互遮蓋面積為：
可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。
圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0＝ab，當2塊極板相對位移x時，則極板的遮蓋面積變為S1=b(a-x)。在介電常數和極板距離不變時，電容量分別為：
可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測量各類線位移。
圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當運動齒相對于固定齒移動一個位移x時，則可得：
比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了n倍。
2.2改變介質介電常數的電容傳感器
圖2是2種改變介質介電常數的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測液位的高度，圖2(b)常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數。
圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中（液體應不能導電，若能導電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質由2部分組成：空氣介質和液體介質，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質的液面發生變化，從而導致電容器的電容C也發生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環境的影響。總電容C由液體介質部分電容C1和空氣介質部分電容C2兩部分組成：
x — 電容器浸入液體中的深度；
R — 同心圓電極的外半徑；
r — 同心圓電極的內半徑；
ε1 — 被測液體的介電常數；
ε2 — 空氣的介電常數。
當容器的尺寸和被測介質確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數，令：
這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。
圖2(b)是在一個固定電容器的極板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為：
式中：S — 電容器的遮蓋面積；
d1 — 被測物體上側至電極之間的距離；
d2 — 被測物體的厚度；
d3 — 被測物體下側至電極之間的距離；
ε1 — 被測物體上側至電極之間介質的介電常數；
ε2 — 被測物體的介電常數；
ε3 — 被測物體下側至電極之間介質的介電常數。
由于d1+d3=d-d2，且當ε1＝ε3時，式（5）還可寫為：
式中d — 兩極板之間的距離。
顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測物體上下側至電極之間介質的介電常數ε1和ε3確定時，電容量的大小就和被測材料的厚度d2及介電常數ε2有關。如被測材料介電常數ε2已知，就可以測量等厚教材料的厚度d2；或者被測材料的厚度d2已知，就可測量其介電常數ε2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數測量儀的工作原理。
3改變極板間距離的電容傳感器
圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測物體相連的活動極板，可上下移動。當極板間的遮蓋面積為S，極板間介質的介電常數為ε，初始極板間距為d0時，則初始電容C0為：
當活動極板1在被測物體的作用下向固定極板2位移Δd 時，此時電容C為：
當電容器的活動極板1移動極小時，即Δd<<d0時，上式按泰勒級數展開為： 這時電容器的變化量Δc才近似地和位移Δd成正比。其相對非線性誤差為：="" 顯然，這種單邊活動的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應的誤差也增大。在實際應用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動式電容器及互感器電橋組合結構，如圖3(b)所示。兩邊是固定的電極板1和2，中間由彈簧片支承的活動極板3。2個固定極板與互感器兩端及交流電源u相連接，活動極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓Δu隨著活動極板運動而變化。若活動極板的初始位置距2個固定極板的距離均為d0，則固定極板1和活動極板3之間="" ，固定2和活動極板3之間的初始電容相等，若令其為c0。當活動極板3在被測物體作用下向固定極板2移動Δd時，則位于中間的活動極板到兩側的固定極板的距離分別為：="" 由上述推導可知，活動極板和2個固定極板構成電容分別為：="" 當他們做成差動式電容器及互感器電橋組合結構時，其等效電容為：="" ="" 雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線性關系，但是消除了級數中的偶次項，使線性得到改善。當時（在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這個條件），略去高次項，得：="" 比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了1倍。="" 比較式（10）和式（8）可見，在1時，非線性誤差將大大下降。="" 歡迎轉載,信息來自維庫電子市場網（="" 來源:ks99=""
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。
電容式傳感器的優點
與電阻式、電感式等傳感器相比，電容式傳感器具有以下一些優點。
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，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，其他因素影響甚微（因本身發熱極小）。而電阻式傳感器有電阻，工作時會產生大量熱量，不僅損失能量，而且造成元件發熱，縮短了使用壽命。
2、結構簡單，適應性強
電容式傳感器結構簡單，易于制造，能在高低退、強輻射及強磁場等各種惡劣的環境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等悄況下都能正常工作，能測超大量的高壓和低壓差，能對帶進工件進行測量。此外，為實現某些特殊要求的測量還可以把傳感器的體積做得很小。
3、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，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，能在幾兆赫的頗率下工作，特別適合動態測量。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，可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。
4、可以實現非接觸測量，具有平均效應
當被測件不允許接觸測量時，電容式傳感器可以進行非接觸測量。這種情況下，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。
電容式傳感器除上述優點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受。0.Olmm甚至更小的位移。
電容式傳感器的缺點
1、輸出阻抗高，負載能力差
電容式傳感器的容盆受其電極幾何尺寸等限制一般做得不大（為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此電容式傳感器負載能力差，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，必須采取屏蔽措施。容杭大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而形響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環境（如溫濕度、清潔度等）對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器的輸出阻抗，但放大、傳箱遠比低頻時復雜，且寄生電容形響加大，難以保證工作穩定。
2、寄生電容影響大
電容式傳感器的初始電容最很小，而其引線電纜電容、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，這不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機變化的，將使傳感器的工作很不穩定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜的選擇、安裝、接法等都有嚴格的要求。
3、輸出特性非線性
變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結構來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性；否則邊緣效應所產生的附加電容址將與傳感器電容址直接處加，使輸出特性非線性。
隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成電路的高速發展，電容式傳感器的優點將得到發揚而缺點會不斷得到克服，電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高梢度，在動態、低壓及一些特殊測量方面大有發展前途的傳感器。
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