电容式传感器的工作原理、结构类型及其应用与注意事项

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

70年代末以来，随着集成电路技术的发展，出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

电容式传感器的工作原理

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。

电容传感器工作原理

由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

式中

—真空的介电常数， =8.854&TImes;10-12F/m；

ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

S—极板的遮盖面积（m2）；

δ—两平行极板间的距离（m）。

上式表明，当被测量δ、S或ε发生变化时，会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。

根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

电容传感器特点

主要优点：

（1） 输人能量小而灵敏度高；

（2）电参量相对变化大；

（3） 动态特性好；

（4） 能量损耗小；

（5）结构简单，适应性好。

主要缺点：（1）非线性大。（2）电缆分布电容影响大。

电容式传感器应用举例：电容式转速传感器

当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。

电容式传感器的结构类型

变极距（δ）型： （a）、（e）

变面积型（A）型： （b）、（c）、（d）、（f）、（g） （h）

变介电常数（ε ）型： （i）～（l）

（1） 变极距型电容传感器

（2） 变面积型电容传感器

角位移：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A↓→电容量↓。

板状线位移：极板2可以左右移动。极板1固定不动。

筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。

（3） 变介电常数型电容传感器

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。

电容式传感器的应用及其注意事项

电容式传感器的应用

电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。

电容式传感器应用中的注意事项

（1） 克服寄生电容的影响

电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（pF到几十pF），属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。

（2） 克服边缘效应的影响

实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时，边缘效

应的影响就不能忽略；边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。

（3） 克服静电引力的影响

电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。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。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。

（4） 温度影响

环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。