電容傳感器可分為：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(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
電容傳感器是指將被測(cè)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(shí)際上，它本身（或和被測(cè)物體）就是一個(gè)可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實(shí)    質(zhì)
一類傳感器
特    點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等
應(yīng)    用
測(cè)量金屬表面狀況等
學(xué)    科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點(diǎn)
3
應(yīng)用
4
改善方法
電容傳感器原理
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語(yǔ)音
由物理學(xué)知識(shí)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(duì)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(dāng)被測(cè)量δ，A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變另一個(gè)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(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(diǎn)
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語(yǔ)音
電容傳感器有如下一些特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②動(dòng)作時(shí)需要能量低，由于帶電極板間靜電吸引力很小（約幾個(gè)
N），因此電容傳感器特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題；③動(dòng)態(tài)特性好，電容傳感器的相對(duì)變化量只受線性和其它實(shí)際條件的限制，如果使用高線性電路時(shí)，電容變化量可達(dá)100%或更大；④自然效應(yīng)小；⑤動(dòng)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
編輯
語(yǔ)音
電容傳感器可以直接測(cè)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(dòng)態(tài)的，例如是直線振動(dòng)及角振動(dòng)。用于上述三類非電參數(shù)變換測(cè)量的變換器一般說(shuō)來(lái)原理比較簡(jiǎn)單，無(wú)需再作任何預(yù)變換。用來(lái)測(cè)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(shí)常將被測(cè)物作為傳感器的一個(gè)極板，而另一個(gè)電極板在傳感器內(nèi)。近年來(lái)已采用這種方法測(cè)量油膜等物質(zhì)的厚度。這類傳感器的動(dòng)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(dá)到0.1μm，分辨力為0.025μm。可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，它加給被測(cè)對(duì)象的力極小，可忽略不計(jì)。測(cè)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(cè)量原油中含水量、糧食中的含水量等。當(dāng)電容傳感器用于測(cè)量其他物理量時(shí)，必須進(jìn)行預(yù)變換，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成d，S或ε的變化。例如在測(cè)量壓力時(shí)，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(yǔ)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(dāng)d減小時(shí)可使電容量加大從而使靈敏度增加，但d過(guò)小容易引起電容器擊穿，一般可以在極板間放置云母片來(lái)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(gè)殼體中，可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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陣列式紅外傳感器和電容傳感器在脈搏檢測(cè)方面的應(yīng)用
最近我在和一個(gè)醫(yī)學(xué)院做科研合作，合作的是一個(gè)關(guān)于脈搏波檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目我是非常感興趣的，也投入了一些精力做了幾種可行的方案，由于我對(duì)于紅外傳感器方面接觸的項(xiàng)目比較多，我更傾向于使用紅外陣列傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏的檢測(cè)。說(shuō)到紅外傳感器檢測(cè)脈搏波信號(hào)，也不是很高大上的技術(shù)，這個(gè)...
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(lái)檢測(cè)物體。傳感器電極可以是任何導(dǎo)電金屬，因此可以設(shè)計(jì)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(jiàn)的無(wú)源元件之一，是通過(guò)靜電電容來(lái)積蓄...
2019-08-230
參考資料
1.

張洪亭，王明贊編．測(cè)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(jì)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(jì)與應(yīng)用  第5版：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.06

電容傳感器可分為：電容式傳感器分為哪三種_電容式傳感器原理

描述
　　電容式傳感器分為哪三種
　　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(dòng)，下極板為動(dòng)極板，設(shè)初始時(shí)兩極板距離為d0。當(dāng)距離減小δd時(shí)，則電容相應(yīng)增大。
　　可見(jiàn)，電容的相對(duì)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(guò)略去高次項(xiàng)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(xiàng)，忽略其他更高次項(xiàng)，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(cè)量（0.01 μm～1 mm）。
　　為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時(shí)克服外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，實(shí)際應(yīng)用中常采用差動(dòng)式的電容傳感器。差動(dòng)電容器總電容變化為：
　　所以電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)后，在同樣的位移相對(duì)變化時(shí)，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(dāng)上極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)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(cè)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(dāng)動(dòng)極板發(fā)生線位移后，相對(duì)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(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度會(huì)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(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。當(dāng)動(dòng)筒移動(dòng)后，兩筒重疊長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，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(lái)測(cè)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(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時(shí)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(cè)出電容的大小，就可得到液位高度。
　　另一種測(cè)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(dāng)有一厚度未知，但相對(duì)介電常數(shù)已知的介質(zhì)通過(guò)極板間隙時(shí)，可以通過(guò)電容的改變得到介質(zhì)厚度。
　　電容式傳感器原理
　　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(cè)轉(zhuǎn)物理量或機(jī)械量換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
　　電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)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ε的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為
　　式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)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(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)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(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)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(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化，通過(guò)測(cè)量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小，可判斷被測(cè)量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
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電容傳感器可分為：電容式傳感器分為哪幾種類型？各有什么特點(diǎn)？

　　這里主要介紹電容式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)類型、測(cè)量電路及其工程應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)量的變化使S、d或ε 任意一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之而變，從而完成 了由被測(cè)量到電容量的轉(zhuǎn)換。
　　根據(jù)當(dāng)式中的三個(gè)參數(shù)中兩個(gè)固定，一個(gè)可變，使得電容式傳感器有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數(shù)型電容傳感器。電容式傳感器的測(cè)量電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。
　　因此常，的測(cè)量電路主要有橋式電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度 制電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙 T 形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等調(diào)。電路實(shí)際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分當(dāng)，入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)振，器的振蕩頻率就發(fā)生變化雖。可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量用，判斷被測(cè)非電量的大小但，時(shí)系統(tǒng)是非線性的不，校正因，必須加入鑒頻器將，率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化經(jīng)，放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)
　　。調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，以測(cè)量高至 001 μm級(jí)位移變化量。號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，與計(jì)算機(jī)通信，干擾能力強(qiáng)，以發(fā)送、接收以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。因此，實(shí)際應(yīng)用中，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，使靈敏度提高 1 倍，使非線性誤差大大降低，干擾能力增強(qiáng)。電容式傳感器具有如下特點(diǎn)
　　1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，精度高；可以做得很小，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量，電容式傳感器一般用金屬作電極，以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此可工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，能承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等；能測(cè)超高壓和低壓差。
　　2） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)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，可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量；可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等。
　　3） 分辨率高 由于傳感器的帶電極板間的引力極小，需要輸入能量低，所以特別適合于用來(lái)解決輸入能量低的問(wèn)題，如測(cè)量極小的壓力、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0001μm 甚至更小的位移。
　　4） 溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于本身發(fā)熱極小，因此影響穩(wěn)定性也極微小。
　　5） 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 如回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等，采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
　　不足之處是輸出阻抗高，負(fù)載能力差，電容傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十皮法到幾百皮法，使傳感器輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗更高，因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象；寄生電容影響大，電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，破壞了穩(wěn)定性，影響測(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。
　　電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅（測(cè)至 005μm的微小振幅），尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。

電容傳感器可分為：電容式傳感器可分為哪幾類？

原標(biāo)題：電容式傳感器可分為哪幾類?

根據(jù)上述原理，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(dòng)，下極板為動(dòng)極板，設(shè)初始時(shí)兩極板距離為d0。當(dāng)距離減小Δd時(shí)，則電容相應(yīng)增大，電容的相對(duì)變化為

可見(jiàn)，電容的相對(duì)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(guò)略去高次項(xiàng)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(xiàng)，忽略其他更高次項(xiàng)，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(cè)量(0.01 μm～1 mm)。

為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時(shí)克服外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，實(shí)際應(yīng)用中常采用差動(dòng)式的電容傳感器。差動(dòng)電容器總電容變化為：

所以電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)后，在同樣的位移相對(duì)變化時(shí)，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(dāng)上極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)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(cè)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(dāng)動(dòng)極板發(fā)生線位移后，相對(duì)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(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度會(huì)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(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。當(dāng)動(dòng)筒移動(dòng)后，兩筒重疊長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，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(lái)測(cè)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(cè)量時(shí)，電容器的介質(zhì)一部分是被測(cè)液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時(shí)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(cè)出電容的大小，就可得到液位高度。

另一種測(cè)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(dāng)有一厚度未知，但相對(duì)介電常數(shù)已知的介質(zhì)通過(guò)極板間隙時(shí)，可以通過(guò)電容的改變得到介質(zhì)厚度。

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