电容式传感器的特点及应用中存在的问题
电容式传感器
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，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。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
电容式传感器原理和应用
2(d)
d0
d0
比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之 后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降 低了。
4.3 特点及应用中存在的问题
4.3.1 电容式传感器的特点
1．优点： ●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，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻， 供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游 和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
图4-1 变极距型电容传感器原理图
4.1电容式传感器的工作原理和结构
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大
Δ由C式，(则4C -3有)知C0传 感C器d的00输rA出d特C1性0(1(Cdd =0d2)d02f()d)不是(4线3)性关系，
而是如图4-2所示的曲线关系。
C d 1d
(1 )
C0 d0
d0
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
(d)2 d
100%
d
100%
d
d0
d
由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减 小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而 增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小 非线性误差，大都采用差动式结构。
电容传感器
接近开关接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。
特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。
一、性能特点在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件——位移传感器。
利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。
当有物体移向接近开关，并接近到一定距离时，位移传感器才有“感知”，开关才会动作。
通常把这个距离叫“检出距离”。
不同的接近开关检出距离也不同。
有时被检测验物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个一个地离开，这样不断地重复。
不同的接近开关，对检测对象的响应能力是不同的。
这种响应特性被称为“响应频率”。
二、种类因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：1、涡流式接近开关这种开关有时也叫电感式接近开关。
它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。
这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。
2、电容式接近开关这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。
这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。
当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。
这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。
3、霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。
利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。
当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。
电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法
电容传感器寄生电容干扰的产生原因及消除方法分析了电容传感器寄生电容存在的主要原因，以及消除寄生电容干扰的几种方法：主要采用驱动电缆技术、运算放大器驱动技术、整体屏蔽技术、集成组合技术来减小寄生电容，以提高传感器的性能。
电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，温度稳定性好，适应性强，动态性能好等一系列优点，目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。
但由于电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。
以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。
增加初始电容值法采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。
由公式C0=ε0·εr·A/d0可知，采用减小极片或极筒间的间距d0，如平板式间距可减小为0.2毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米;或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路;另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。
不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3～103pF 之间。
采用“驱动电缆”技术，减小寄生电容如图1所示：在压电传感器和放大器A之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器，这种接法可使得内屏蔽与芯线等电位，进而消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响，而内外层之间的电容Cx变成了驱动放大器的负载，电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。
教案项目电容式传感器
教案项目：电容式传感器一、教学目标1. 了解电容式传感器的原理和应用。
2. 掌握电容式传感器的接线方式和基本操作。
3. 能够分析电容式传感器的测量数据并进行误差处理。
二、教学内容1. 电容式传感器概述定义：电容式传感器是一种利用电容变化来检测物体或物质的传感器。
特点：灵敏度高、响应速度快、非接触式测量等。
2. 电容式传感器的工作原理电容的定义和公式：电容是电荷存储的能力，C = Q/V。
电容式传感器的测量原理：通过测量电容的变化来检测物体或物质的变化。
3. 电容式传感器的接线方式和基本操作接线方式：电容式传感器通常有单端式和差分式两种接线方式。
基本操作：如何连接电源、信号输出、接地等。
4. 电容式传感器的测量数据分析和误差处理测量数据分析：如何分析电容式传感器的输出信号，并进行数据处理和显示。
误差处理：常见的误差类型和处理方法，如系统误差、偶然误差、粗大误差等。
三、教学方法1. 讲授法：讲解电容式传感器的原理、接线方式和基本操作。
2. 实践操作法：学生亲自动手进行电容式传感器的接线和操作，并进行测量数据分析和误差处理。
3. 问题解答法：针对学生提出的问题进行解答和讨论。
四、教学准备1. 教具：电容式传感器、示波器、信号发生器等。
2. 教材或讲义：关于电容式传感器的相关知识。
五、教学步骤1. 引入：介绍电容式传感器在工业和科研中的应用，激发学生的兴趣。
2. 讲解电容式传感器的原理和接线方式，并展示示例图片。
3. 学生进行实践操作，接线和操作电容式传感器，并记录测量数据。
4. 学生进行分析数据，识别和处理误差。
5. 学生提出问题，教师进行解答和讨论。
六、教学评估1. 学生自评：学生对自己的学习过程和掌握情况进行评价，包括理解程度、操作技能等。
2. 同伴评价：学生之间互相评价，互相学习，提高彼此的操作技能和解决问题的能力。
3. 教师评价：教师对学生的学习情况进行评价，包括理论知识的掌握和实际操作能力等。
电容式传感器
2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化 与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传 感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放 大器电路可以得到输出电压u g 与位移量的线性关系。
C0 ug =-u 0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
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。
24
四、电容式传感器的研究现状
1.PT800型压力变送器
PT系列产品中的标准型号，内置陶瓷电容式传感器。可以自由选 配模拟、数字现场显示表头。有多种过程连接件，可以现场调零 点、满量程。广泛用于自动化工业中对液体、气体和蒸汽的测量。
27
9
1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积
A
r2
2
其中， 为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
r 2 所以，电容量为 C 2
C r 2 灵敏度S 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类
二、电容式传感器的测量电路
三、电容式传感器在应用中的注意事项
四、电容式传感器的研究现状
2
一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C为
0 A C
3
当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起 电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
电容式传感器实训报告
一、实训目的电容式传感器实训旨在使学生了解电容式传感器的基本原理、结构、工作特性以及在实际应用中的重要性。
通过本次实训，学生应掌握电容式传感器的安装、调试、测试方法，并能够根据实际需求设计和应用电容式传感器。
二、实训内容1. 理论部分- 电容式传感器的基本原理：电容式传感器是利用电容变化来检测物理量的传感器。
其基本原理是通过测量电容的变化来检测被测量的物理量，如位移、振动、压力等。
- 电容式传感器的结构：电容式传感器主要由敏感元件、测量电路和信号处理电路组成。
- 电容式传感器的工作特性：电容式传感器具有高灵敏度、高精度、抗干扰能力强等特点。
2. 实践部分- 安装与调试1. 根据实验要求，将电容式传感器安装到相应的测试平台上。
2. 调整传感器与测试平台的距离，确保传感器能够正确地检测到被测量的物理量。
3. 调整传感器的灵敏度，使其在检测范围内达到最佳性能。
- 测试与数据分析1. 利用实验设备对电容式传感器进行测试，记录测试数据。
2. 分析测试数据，评估传感器的性能，如灵敏度、线性度、重复性等。
3. 根据测试结果，对传感器进行调整和优化。
3. 应用设计- 根据实验要求，设计一个应用实例，如位移测量、振动检测等。
- 分析应用实例中电容式传感器的需求，选择合适的传感器型号和参数。
- 设计电路，实现电容式传感器的信号采集、处理和输出。
三、实训结果与分析1. 测试结果通过实验，我们得到了以下测试结果：- 传感器的灵敏度为0.1mm/V，线性度为0.5%，重复性为0.3%。
- 在测试范围内，传感器能够稳定地检测到被测量的物理量。
2. 数据分析根据测试结果，我们可以得出以下结论：- 电容式传感器具有较高的灵敏度和线性度，能够满足实际应用的需求。
- 传感器的重复性好，稳定性高，适用于长时间连续工作。
3. 应用设计根据实验结果，我们设计了一个位移测量系统。
该系统采用电容式传感器作为测量元件，通过信号采集、处理和输出，实现了对位移的精确测量。
电容感应式指纹传感器工作原理和性能分析
电容感应式指纹传感器工作原理和性能分析交通运输1101 陈强 3110405027摘要：本文首先通过查找相关传感器历史资料，回顾了指纹传感器技术的发展历史。
从发展早期，现如今和未来三个角度分别介绍了指纹传感器技术的原理，发展过程和未来前景。
与此同时通过查阅相关文献资料和技术论文，详细解释了指纹传感器的工作原理，并着重介绍了目前几种现实生活中常见的传感器，如光学指纹传感器和半导体指纹传感器，在对两种传感器进行原理性剖析的基础上,通过列举现实生活中同型号不同产品的半导体指纹传感器，对传感器的主要性能参数进行对比研究，指出了它们的优缺点和应用情况。
最后，通过了解苹果公司最新发布的iPhone5s产品中新加入的指纹解锁技术，在阅读其专利图和技术使用说明的基础上，研究分析了实现该项功能所使用传感器的原理和技术细节，并对这一新鲜技术的未来产品中的运用做评估和预测。
1.引言：指纹是手指表面皮肤凸凹不平形成的纹路，由多种嵴状图形构成。
指纹特征即手指表面嵴和沟组成平滑纹理模式，其随机性很强。
研究表明：指纹特征具有唯一性、稳定性特点，据此可实现身份识别。
指纹表面积较小，且存在磨损，获取优质指纹图像较困难。
指纹传感器是获取指纹图像的专用器件,在自动指纹识别系统中起着关键作用。
本文回顾了指纹传感器技术的发展历史,并介绍了目前几种常见的传感器,在进行原理性剖析的基础上,指出了它们的优缺点和应用情况。
1.1. 早期:早期的指纹图像采集主要运用油墨按印等物理方式,如果油墨及纸张质量有问题,或按压压力不均,或按压位置、方向差异,或手指损伤、变形等,都会导致采集的指纹图像质量不理想,进而影响该技术应用。
为克服物理方式的缺点,发展光学传感器、半导体传感器、超声波传感器等对获取高质量指纹图像提供了良好的技术保障,具有很好实用价值。
同时,更先进的指纹图像传感器亦在研发,目的是获得足够的指纹细节,并使指纹图像达到较高分辨力,提高指纹识别准确性、可靠性。
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电容式传感器的特点及应用中存在的问题
张文杰
保定天翔集团毛纺织有限责任公司河北保定071000
摘要：本文阐述了电容式传感器有温度稳定性好、结构简单、动态响应好、可以实现非接触测量，具有平均效应的优点，输出阻抗高，负载能力差、寄生电容影的及其缺点，以及在应用中存在的
问题。
关键词：电容、传感器、负载
Abstract:This paper describes the capacitive sensor has good temperature stability,simple structure,good dynamic response,non-contact measurement can be achieved,with the average effect of the advantages of high output impedance, load capacity is poor,and shortcomings of the parasitic capacitance of the film,and Problems in the application.
Keywords:capacitors,sensors,load
1.电容式传感器的特点
1）优点
（1）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，有利于选择温度系统低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。
而电阻传感器有电阻，供电后产生热量：电感式传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。
（2）结构简单。
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；能工作在高温，强车船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；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。
（3）动态响应好。
电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10-5N），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，即质量很轻，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，特别适用于动态测量。
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。
它可用于测量高速变化的参数。
（4）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率、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，可以减少工作表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除了上上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所以输入和输入能量极小，因而可测极低的压力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率高，能敏感0.01µm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构连接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。
2）缺点
（1）输出阻抗高，负载能力差。
电容式传感器的容量受共电极的几何尺寸等限制，一般只有几pF到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106—108Ω。
因此传感器的负载能力很差，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，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。
阻抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。
不采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。
（2）。
电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其寝电容量都很小（几pF到几十pF），而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1—2m导线可达800pF），电子线路的杂散电容，以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（职电缆电容）常常的随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。
因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。
随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬，而缺点不断地得到克服。
电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。
2.应用中存在的问题
1）边缘效应以上分析各种电容式传感器进还忽略了边缘效应的影响。
实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘疚的影响就不能忽略。
这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器。
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。
为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。
保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等曜，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。
为减小及板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。
2）静电引力电容式传感器两个极板间因存在静电场，因而有静电引力或力矩。
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的情况下，必须考虑静电引力造成的测量误差。
3）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。
这种影响主要有以下两个方面。
（1）温度对结构尺寸的影响：电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。
在传感器
各零件料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙相对变化，从而产生很大的温度误差。
在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关，可以满足温度误差补偿要求。
（2）温度对介质的影响：温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气数温度系数看似为零：页岩某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。
例如，煤油的介电常数的温度可达0.07%/°C；若环境温度变化加减50°C，则将带来7%的温度的误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。
参考文献：
1、王松林，鲁高奇，电容式传感器测量电路设计，电子质量，2011年第1
2、翟宝峰,梁清华，检测粮食水分用的电容式传感器，传感器技术，2003年第22卷第2期
3、丁振荣,陈卫民，电容式传感器测量油品中水的体积分数之新方法，传感器技术，2004年第23卷第5期
4、杨三序，电容式传感器在车辆检测装置中的应用，传感器技术，2004年第23卷第9期
5、伊晓光,孙来军,胡晓光，湿敏电容式传感器测量SF6气体湿度方法的研究，电力建设，2004年第25卷第8期
6、黎章,袁易君，基于AVR单片机的谷物水分检测系统，农机化研究，2010年第32卷第6期
7、陈洪飞,杨其华,刘钢海，基于CPLD的电容式角度传感器测量电路设计，中国计量学院学报，2007年第18卷第2期
作者简介：
张文杰（1974-）男，大专，助理工程师，研究方向：机电工程，工作单位：保定天翔集团毛纺织有限责任公司
电容式传感器的特点及应用中存在的问题
作者：张文杰
作者单位：保定天翔集团毛纺织有限责任公司
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2011(21)
本文链接：/Periodical_csjsllyj2011213511.aspx。