电容式传感器（具有可变参数的电容器）

介绍

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。

定义

电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。

分类

根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种，每一种又依据传感器极板形状分成平(圆形)板形和圆柱(圆筒)形，虽然还有球面形和锯齿形等其他形状，但一般很少用。其中差动式一般优于单组(单边)式传感器，它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。

根据被测参数的变化分：

（1）变极距型电容传感器(d)

（2）变面积型电容传感器(A)

（3）变介质型电容传感器(ε)

应用

1、电容式传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点，广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。

但在使用中要注意以下几个方面对测量结果的影响：

①减小环境温度、湿度变化(可能引起某些介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置发生变化)；

②减小边缘效应；

③减少寄生电容；

④使用屏蔽电极并接地(对敏感电极的电场起保护作用，与外电场隔离)；

⑤注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。

电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。

差动式电容测厚传感器

加速度传感器

3、粘度计，污染度，湿度计电容式传感器3、FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。

电容式压力传感器

5、加速度传感器

6、差动式电容测厚传感器

原理

电容式传感器

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

特点优势

电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：

(1)高阻抗、小功率，因而所需的输入力很小，输人能量也很低。电容式传感器因带电极板间静电引力极小(约几个

(2)温度稳定性好。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，又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。

(3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可，可在恶劣环境中工作。电容式传感器结构简单，易于制造，可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。

(4)动态响应好。由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，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，如测量振动、瞬时压力等。

(5)可以实现非接触测量，具有平均效应。例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工作表面粗糙等对测量的影响。

电容式传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

不足之处

电容式传感器存在的不足之处如下：

(1)输出阻抗高，负载能力差。

无论何种类型的电容式传感器，受电极板几何尺寸的限制，其电容量都很小，一般为几十到几百皮法(pF)，因此使电容式传感器的输出阻抗很高，可达～Ω。由于输出阻抗很高，因而输出功率小，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。

(2)寄生电容影响大。

电容式传感器的初始电容量很小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出。由于寄生电容是随机变化的．因而使传感器处于不稳定的工作状态．影响测量准确度。

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(lm~2m导线可达800pF)、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(如电缆电容)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。因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

为减小电缆分布电容影响，可将电子线路的前级装在离传感器敏感部分很近的地方，或采用所谓“双层屏蔽等电位传输技术”，

又称“驱动电缆”技术。这种方法的基本思路是：连接电缆采用内外双层屏蔽，使内屏蔽层与被屏蔽的导线电位相同，因而两者之间没有容性电流存在，这样使引线与内屏蔽之间的电缆电容不起作用，外屏蔽仍被接地而对外界电场起屏蔽作用，其原理如图5-15所示。外屏蔽接地后，对地之间电容将成为

驱动电缆原理图

两点注意：

工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。

电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

测量电路

电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。包括（1）调频电路（2）运算放大器式电路（3）二极管双T形交流电桥（4）脉冲宽度调制电路

特点：

（1）转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。

（2）具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。

（3）但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。

运算放大器式电路运算放大器要求：

特点：

（1）解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题

（2）要求Zi及放大倍数足够大

（3）为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定

（4）由于

（5）输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）

正负半周分析：

正半周：

负半周：

若

几点说明：

（1）该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。

（2）当电容以PF级变化时，输出以V级变化。