电容式传感器的介绍

斯蒂芬传感器及应用1

任务1：车速检测中的压力检测任务2：电子秤的压力检测任务3：管道内液体的压力检测任务4：物联网中的压力检测-知识拓展项目六、物联网中的压力检测传感器及应用1

任务3：管道内液体的压力检测电容式传感器的介绍一、各种电容式传感器示例电容式传感器的介绍一、各种电容式传感器示例智能工业中的温度检测一、各种电容式传感器示例测量管道液位与压力传感器智能工业中的温度检测

电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。智能工业中的温度检测特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。二、电容式传感器特点应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。智能工业中的温度检测电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为+ S

r d

_ 智能工业中的温度检测

可见：在S、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：(1)极距变化型电容传感器；(2)面积变化型电容传感器；(3)介质变化型电容传感器；智能工业中的温度检测设初始电容为：当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：电容的相对变化为：1、变极距型电容式传感器智能工业中的温度检测1、变极距型电容式传感器当时，将上式按泰勒级数展开，得：可见，电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：电容传感器的静态灵敏度为如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差：由以上分析可知：变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。

Cdd0ΔdΔdΔC1ΔC2{{ΔC1>ΔC2如图，极距变化相同值±△d所对应的电容变化量不同非线性随极板间距的减小而增大1、变极距型电容式传感器智能工业中的温度检测为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。

工作时差动电容器总电容变化为：

当时，将上式按泰勒级数展开，得：1、变极距型电容式传感器智能工业中的温度检测略去非线性高次项，得：变极距差动电容式传感器的灵敏度K′为

变极距差动电容传感器的非线性误差′L近似为

可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效的改善由于环境影响所造成的误差。智能工业中的温度检测2、变面积型电容式传感器智能工业中的温度检测2、变面积型电容式传感器智能工业中的温度检测当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：灵敏度：灵敏度为常数智能工业中的温度检测变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。其电容计算式为：

当重叠长度x变化时，电容量变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。智能工业中的温度检测（2）用于角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移

时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。

当转动角时，

当

=0时，灵敏度：角位移式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度K为常数。智能工业中的温度检测

电容式液位传感器结构原理图与等效电路电容式液位传感器图示同轴圆柱形电容器的初始电容为:测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的电容，则：3、变介质型电容式传感器智能工业中的温度检测可见，电容C理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位高度。另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。设电容器极板面积为S，间隙为a，当有一厚度为d，相对介电常数为

r的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：

智能工业中的温度检测由于C1和C2为并联，所以总电容为:其中，

，为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。而增大；智能工业中的温度检测（2）若传感器保持

r不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时其中，，为灵敏度因子和非线性因子。

智能工业中的温度检测（3）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为，则，,即若可见，与

r成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。智能工业中的温度检测三、电容式传感器的优缺点(1)温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。1.电容式传感器的优点(2)结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。智能工业中的温度检测

（3）静电引力小电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力造成的测量误差。(4)动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。智能工业中的温度检测

(5)可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001µm甚至更小的位移。智能工业中的温度检测

(1)输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。智能工业中的温度检测2.电容式传感器的缺点

(3)输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。