傳感器工作原理之電容式傳感器

來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/9/26

  　　電容式傳感 把被測的機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εS/d，式中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離。d、s、ε 三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化(見電容式壓力傳感器)。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。

　　簡 介

　　70年代末以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)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(fā)展?jié)摿Φ?a title="傳感器" href="http://m.fineinshow.com" target="_blank">傳感器。

　　典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)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(guān)系是非線性關(guān)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。

　　原　理

　　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(jù)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(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2∏eL/lnD/d，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(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。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(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。

　　特點優(yōu)勢

　　電容式傳感器與電阻式、電感式等傳感器相比有如下一些優(yōu)點：

　　(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式傳感器因帶電極板 間靜電引力極小(約幾個10-5 N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的 測量問題，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,分辨力非常髙，能 感受0.001μm甚至更小的位移。

　　(2)溫度穩(wěn)定性好。傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料， 又因本身發(fā)熱極小，對穩(wěn)定性影響甚微。

　　(3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，待測體是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可,可在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感 器結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,可做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高低溫、強輻射及強 磁場等惡劣的環(huán)境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。

　　(4)動態(tài)響應(yīng)好。由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很 高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。

　　(5)可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠 軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工作表面粗糙 等對測量的影響。

　　優(yōu)缺點

　　電容式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。

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