简述电容式传感器

简述电容式传感器摘要:电容传感器是将被测物理量的微小变化转换成电容变化的一种装置。和其它传感器比较，电容传感器的优点很多。主要是测量的精度高、灵敏度高、稳定性高，可动部分质量小，因而动态响应较快，容易实现非接触测量，并且结构简单，易于制造，可以做的非常小巧，便于在多种环境中使用。其广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。本文对电容传感器的工作原理，应用及其特点做了简单的介绍；同时，也给出了一些目前市场上电容传感器的生产厂家及参考价格。关键字：电容传感器；工作原理；应用；特点传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器又叫变换器、换能器、敏感元件等。传感器是现代测控系统中不可缺少的重要组成部分，是连接被测对象和监测系统的接口。几乎每一项现代化的装置都离不开各种各样的传感器。随着科学技术的发展，传感器早已渗透到工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断等各个领域。其中电容式传感器可以通过改变电介质、极距或者相对面积使得电容的大小发生变化，并进一步转化为电信号，从而实现观测和控制。电容式传感器的工作原理电容式传感器是将被测量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。通常情况下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，下面以平行板电容器说明其工作原理。当忽略边缘效应时，平行板电容器的电容量为：C=GAd=£r£°Ad（式中A为极板面积，d为极板间距，£,为相对介电常数，£°为真空介电常数，£为电容极板介质的介电常数）。当被测物理量使得式中d、A和£中的某项或某几项有变化时，就改变了电容C。电容传感器就是将被测物理量的变化转化为d、A、£的变化进行测量的。实际应用中，若保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此电容式传感器可分为变极距、变面积和变介电常数三种类型。电容式传感器测量的物理量及范围电容式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。其中变极距、变面积和变介电常数三种类型的电容式传感器分别有着不同的应用场合，其所测的物理量也相对有一定的区别。下面分别介绍三种类型的电容式传感器所测量的物理量及范围。2.1变极距型电容传感器变极距型电容传感器可以实现非接触测量，用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等。一般变极距型电容器的起始电容在2°~1°°pF之间，极板间距在25~2°°rm的范围内，最大位移应小于间距的1/1°，所以其广泛应用于微位移的测量，可测量的位移精度为°.°1〜°.1rm。2.2变面积型电容传感器变面积型电容传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。其电容改变量与水平位移、角位移呈线性关系，灵敏度为常数。根据此特性，变面积型电容传感器常用于测量角位移或者较大的线位移。2.3变介电常数型电容传感器由于各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器的两极板插入不同的介质时，电容器的电容量也就不同。利用此特性，变介电常数型电容传感器常用于测量物位及液位，测量厚度及位移和非导电介质的的湿度等。电容式传感器测液位的应用飞机电容式燃油测控系统，利用的是线性燃油传感器，电容器的电容与极板间的距离及极板面积有关，同时还与极板间工作介质有关。图1所示是一种电容式传感器电容变化的原理图。电容有一部分浸入油中，浸入高度随着油量的多少而变化。电容器浸入部分和伸出油面部分的极板间介质不同：其一是燃油；另一是空气和燃油的混合体。当油箱未加油时，以空气为介质，加油后，则以燃油为介质，所以当油箱内燃油油面高度发生变化时，就会使传感器电容发生微小的变化，根据电容的变化量便可得知油箱内油面的高度。电容式传感器的特点4.1电容式传感器的优点⑴结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；电容式传感器一般用金属作电极、以无机材料作绝缘支承，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。⑵温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。⑶动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，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，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，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，可用于测量高速变化的参数。⑷可以实现非接触测量、具有平均效应采用非接触测量时，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。4.2电容式传感器的缺点⑴输出阻抗高、负载能力差电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，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。⑵寄生电容影响大电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。电容式传感器的缺点改进措施针对输出阻抗高、负载能力差这一问题，电容式传感器在工作应采取必要的屏蔽措施，加大传感器绝缘部分的阻值，同时也要注意周围温度、湿度及清洁度的变化对传感器性能的影响。针对寄生电容影响这一问题，可以采用增加初始电容的方法使寄生电容相对电容传感器的电容量减小，也可采用“驱动电缆技术”或整体屏蔽法减少寄生电容，另外采

用集成法也是消除电容传感器寄生电容干扰的一种有效方法。电容式传感器的技术指标、生产厂家及参考价格6.1电容式传感器的技术指标⑴线性度线性度也称非线性误差，是指传感器输出曲线与标准输出直线之间的偏离程度。⑵重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续重复多次所得到的特性曲线的重合程度。重复性反映的是测量结果的偶然误差的大小，不能用来表示测量结果与真值之间的偏离程度。⑶精度等级精度等级是指传感器在规定工作条件下，最大绝对允许误差值与相对仪表测量范围的百分数。⑷分辨力分辨力是指传感器有效分辨紧密相邻量值的能力，即传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。⑸温度漂移温度漂移也称温漂、温度稳定性，是传感器在测量范围内输出变化受温度影响的大小。⑹灵敏度灵敏度是指传感器到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。⑺迟滞迟滞是指传感器的正向(上升)特性和反向(下降)特性不一致的程度，即对于同样大小的输入量，当采用的行程方向不同时，其输出值之间的差值大小。6.2电容式传感器的参考价格及生产厂家品牌恩邦(国产)型号6E~9E种类压力线性度0.1~0.25(%F.S.)输出信号4~20mA迟滞0.2~0.18(%F.S.)总结重复性好灵敏度高漂移小价格350元/pcs品牌OEM(国产)型号3151种类压力材料金属( 、线性度0.075(%F.S.)输出信号数字型迟滞0.05(%F.S.)重复性0.05(%F.S.)灵敏度0.02漂移0.1价格460.00元/pcs品牌SL(国产)型号SL-133种类陶瓷型压力变送器测量范围0-3000成pa)精度等级0.25%输出信号4-20(mA)价格800.00元/pcs品牌KAVLICO(德国)型号CCPS32/18种类压力线性度0.2(%F.S.)输出信号模拟型迟滞0.2(%F.S.)重复性0.2(%F.S.)灵敏度0.2漂移0.2价格450.00元/pcs品牌INFICON（德国）型号CDG100A种类数字压力计测量范围100(Kpa)精度等级1随着科学技术的快速发展，电容式传感价格888.00元/pcs器的缺点将会被不断地克服；电容式传感器的应用也将会越来越广泛。总之，随着传感器技术的发展，电容式传感器的性能将会进一步地提高；随着计算机技术的成熟，电容传感器也将向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。随着科学技术的快速发展，电容式传感参考文献蒙文舜，杨运经,刘云鹏.电容式传感器的原理及应用.现代电子技术,2003(7)刘丽娟.新型电容传感器结构的设计.辽宁师范大学学报,2000(3)张白莉.电容式传感器的应用和发展.忻州师范学院学报,2005(2)陈焕众，黄志雄.电容传感器的原理及应用.读写算,2010(15)张红润，张凡亚.传感技术与实验[M].北京:清华大学出版社,2005.课程教学的建议及体会：传感器这门课由于传感器种类繁多，每种传感器基本上讲的都是原理及应用，所以内容相对较为枯燥。个人觉得应与实验教学相结合，每学完一种传感器，安排相应的实验，从而加深学生对此种传感器的认识，同时也会相应地提高学生的学习兴趣。而现在实验教学中，学生在一次实验中把所有