發布日期：2022-10-09 點擊率：41
有關電容傳感器的工作原理，電容傳感器作為一種測量用傳感器，其工作原理是什么樣的，電容器的容量公式及參數是什么樣的，一起來了解下。
電容傳感器的原理
電容傳感器，又為電容物位計，它的電容檢測元件是基于圓筒形電容器原理來工作的，圓筒形電容器由兩個相互絕緣的同軸圓柱極板構成，在兩個極板之間填充介質。
由物理學知識可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為：
ε——極板間介質的相對介電系數，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，當被測量δ，A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。
保持其中兩個參數不變，僅改變另一個參數，即可把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。
電容器的容量公式：C=2∏eL/lnD/d。
其中，ε表示兩極板間介質的介電常數，L表示兩極板之間相互重合的長度，D表示外面的圓柱形極板的直徑，d表示里面的圓柱形極板的直徑。
在固定情況下測量時，其D、d、e三個參量不會變，便可以根據測量的電容量，求得液位的高度。
以上介紹了電容傳感器的原理，電容傳感器在工作時，如何根據電容量來得到液位高度，希望對大家有所幫助。
相關閱讀：
1、電容式接近開關的原理圖解
2、電容式傳感器的靈敏度與非線性誤差
3、電容式壓力傳感器的元件與原理
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電容式傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量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。
中文名
電容式傳感器
外文名
capacitive type transducer
電容計算公式
εS/d
應 用
測量
發展時間
70年代末
所屬學科
自動化
目錄
1
簡介
2
原理
3
分類
4
優點
5
缺點
6
應用
電容式傳感器簡介
編輯
語音
70年代末以來，隨著集成電路技術的發展,出現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，很有發展潛力的傳感器。典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，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。
電容式傳感器原理
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語音
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電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數為ε的電解質時，兩圓筒間的電容量為
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為內筒電極的直徑；e為中間介質的電介常數。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，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小，可判斷被測量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。
[1]
電容式傳感器分類
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語音
根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高等特點。
[2]
電容式傳感器優點
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語音
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。
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電容式傳感器缺點
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語音
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。
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電容式傳感器應用
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語音
電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結果的影響：①減小環境溫度、濕度變化(可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化)；②減小邊緣效應；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離)；⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。
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電容式傳感器有哪些優點？
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量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。下面，我們一起來看看電容式傳感器的優點吧。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉物理量或機械量換成為電容量變化的一種轉換裝...
2020-11-120
閱讀68
參考資料
1.
錢愛玲，錢顯毅主編；郝傳永，陳麗華副主編；俞偉鈞，鮑玉軍參編．傳感器原理與檢測技術 第2版：機械工業出版社，2015.09
2.
姜香菊主編；吳蓉，范多進參編；張友鵬主審．傳感器原理及應用：機械工業出版社，2015.03
3.
沈潔，謝飛主編；于玲，王欣，張益副主編．自動檢測與轉換技術 第2版：清華大學出版社，2015.01
4.
樊久銘，劉彥菊主編．工程力學實驗=experiments in engineering mechanics：哈爾濱工業大學出版社，2015.08
5.
胡向東，唐賢倫，胡蓉編著．現代檢測技術與系統=Modern Detecting Technologies and System,：機械工業出版社，2015.02
摘 要：電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
關鍵詞：電容；極板；電介質
中圖分類號：TP212.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度發達的現代社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為社會發展的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在強大的信息工業基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息，再經過一系列的科學分析、處理、加工，才能認識和掌握自然界中的各種現象及其相關發展變化規律，進而促成科學技術的發展。現代信息技術的三大基礎是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術。傳感器是信息采集系統的首要部件，是實現現代化測量和自動控制的主要環節。
傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測量并按一定的規律轉換成有用（與之有對應關系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉換元件和測量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。
電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。它在非電量檢測中應用十分廣泛。
電容式傳感器具有溫度穩定性好、結構簡單、動態響應好、可實現非接觸測量等優點；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點也給它的應用帶來了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術的發展，使電容式傳感器的優點得到了發揚，而缺點也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實質是一種有可變參數的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質構成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質稱為電介質。電容器的電容量與兩極板間介質的介電常數、兩極板的相對覆蓋面積，兩極板間距離有關。這三個參數的改變均使電容C發生變化。因此可以固定其中兩個參數不變，而使另外一個參數改變。如果變化的參數與被測量之間存在一定的函數關系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：
1.變面積式電容傳感器――兩極板的相對覆蓋面積變化，介電常數、極板間距離不變。
2.變極距式電容傳感器――極板間距離變化，介電常數、極板的相對覆蓋面積不變。
3.變介電常數式電容傳感器――介電常數變化，極板的相對覆蓋面積、極板間距離不變。
二、電容式傳感器的測量電路
電容式傳感器的測量電路主要是把電容轉換為電壓（或電流）輸出，常用的測量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調制電路、調頻電路。
三、電容式傳感器在應用中應注意的問題
（一）溫度的影響
物質有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當環境溫度改變時，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對位置將發生變化，由于電容器因為極板間距很小而對結構尺寸的變化特別敏感。此外電介質的介電常數也會因為溫度的變化而發生改變。而要減小溫度對測量結果的影響，可采取以下方式：
（1）在設計電容式傳感器時，選擇合理的極板間距。
（2）在制造電容式傳感器時，選用溫度膨脹系數小，幾何尺寸穩定的材料及電介質。
（3）測量電路采用差動對稱結構。
（二）電容電場的邊緣效應
所謂電容電場的邊緣效應指的是在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，這就相當于傳感器并聯了一個附加電容，導致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應對測量結果的影響，可采取以下措施：
（1）在制造電容器時，選擇合理的初始電容量。
（2）加裝等位環。具體做法為：在極板A的同一平面內，加一個同心環面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環。這樣可使極板邊緣處的電場接近勻強電場了。
（三）寄生電容的影響
任何兩個彼此絕緣的導體均可構成電容器。電容式傳感器除了兩個極板間的電容外，還可以與周圍導體產生電容聯系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會使傳感器電容量發生明顯改變。而且寄生電容極不穩定，從而導致傳感器特性的不穩定，對傳感器產生嚴重干擾。
為了克服寄生電容的影響，必須對傳感器進行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內，并將殼體良好接地。同時，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。
四、電容式傳感器應用舉例
（一）電容式接近開關
測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通和關斷，接近開關的檢測物體，并不限于是金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。
（二）電容式鍵盤
常用的鍵盤有兩種：機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的改變，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率小。
（三）電容式指紋傳感器
電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進行信息采集的。當指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進行數據采集。
（四）電容式聽診器
醫學上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個極板在聽診器的內部，另一極板為聽診器的膜片。當繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發生變化，從而使電容器的電容發生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內呈線性關系。
參考文獻：
[1]顏全生.自動檢測與傳感器應用[M].北京：中國勞動（社會保障）出版社，2006.
[2]王松林，魯高奇.電容式傳感器測量電路設計[J].產品設計與開發，2011（01）.
導讀：本文主要介紹的是電容式傳感器的工作原理，感興趣的童鞋們快來學習一下吧~~很漲姿勢的哦~~
本文引用地址：電容式傳感器工作原理--簡介
電容式傳感器是一種把被測的機械量轉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的電容器。電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。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。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。
2.電容式傳感器工作原理--優缺點
電容器傳感器的優點是結構簡單,價格便宜，靈敏度高,過載能力強，動態響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。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，以及聯接電路較復雜等。70年代末以來,隨著集成電路技術的發展,出現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，很有發展潛力的傳感器。
3.電容式傳感器工作原理
電容式傳感器的電容檢測元件是根據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電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數為e的電解質時，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為內筒電極的直徑;e為中間介質的電介常數。在實際測量中D、d、e是基本不變的，所以電容式傳感器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高等特點。
拓展閱讀：
1.濕度傳感器工作原理
2.常見傳感器分類和工作原理
3.電容式濕度傳感器基礎知識
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