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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
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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。
[3]
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。
[4]
電容式傳感器應用
編輯
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。
[5]
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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
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，下極板為動極板，設初始時兩極板距離為d0。當距離減小δd時，則電容相應增大。
可見，電容的相對變化與位移之間為非線性關系。在誤差允許的范圍內，通過略去高次項可得近似的線性關系，即電容式傳感器的靜態靈敏度為。如果只考慮二次非線性項，忽略其他更高次項，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量（0.01 μm～1 mm）。
為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時克服外界條件如電源電壓、環境溫度變化的影響，實際應用中常采用差動式的電容傳感器。差動電容器總電容變化為：
所以電容式傳感器做成差動式結構后，在同樣的位移相對變化時，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，當上極板移動時，兩極板間的相對覆蓋面積發生變化，從而引起電容的變化。這樣的傳感器可以用于位移測量。根據應用要求，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。
當動極板發生線位移后，相對應的電容變化為，其中K為靈敏度，其輸出與輸入成線性關系，靈敏度是常數。但是平行板型結構對極距變化特別敏感，測量精度會受影響，而圓筒形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。當動筒移動后，兩筒重疊長度發生變化時，電容變化為：其中K為靈敏度。
3 變介質型電容傳感器
變介質型電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質導致電容變化，利用這種原理制作的傳感器常被用來測量液體的液位（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。測量時，電容器的介質一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時形成的電容，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系，只要測出電容的大小，就可得到液位高度。
另一種測量介質介電常數變化的電容式傳感器結構和平行板電容器類似，當有一厚度未知，但相對介電常數已知的介質通過極板間隙時，可以通過電容的改變得到介質厚度。
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。
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。
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有關電容式傳感器的小知識，這里說一說電容傳感器的分類方式，按傳感器的工作原理與測量原理來分類，共分為哪幾種類型，不同類型的傳感器的適用范圍是什么。
電容式傳感器的類型
1、按工作原理分類
根據電容式傳感器的工作原理，分為三種類型：
（1）變極板間距的變極距型
變極板間距型電容式傳感器的特點：電容量與極板間距成反比。主要用于測量位移量。
（2）變極板覆蓋 面積的變面積型
變極板覆蓋面積型電容傳感器的特點：電容量與面積改變量成正比。主要用于合測量線位移和角位移。
（3）變介質介電常數的變介質型
變介襲質型電容傳感器的特點：利用不同介質的介電常數各不相同，通過改變介質的介電常數實現對被測量的檢測， 并通過電容式傳感器的電容量的變化反映出來。
主要用于介質的介電常數發生改變的場合。
2、按測量原理分類
根據測量原理不同，電容式傳感器分為變面積型傳感器、變極距型傳感器、變介質型傳感器。
（1）面積變化型一般用于測量角位zhidao移或較大的線位移。
（2）極距變化型一般用來測量微小的極距變化。
（3）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。
以上介紹了電容式傳感器的不同分類方式，以及電容式傳感器的常見類型，希望對大家有所幫助。
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