基于电容式传感器应用论文

基于电容式传感器的应用研究

摘要：电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。

关键词：电容式传感器应用研究

1、电容式传感器的结构特点

电容式传感器的优点：电容式传感器与传统的电感式、电阻式传感器相比具有结构简单，测量范围大，灵敏度高，动态响应快、非接触测量等优点，并能在高温，辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。首先，电容式传感器结构相对简单，因此比较容易投入生产。适应性好强，可大可小，从而可以满足不同需求的测量。用于制作电容式传感器的金属极板材料有可以有多种选择：金、银、铜、黄铜、青铜、铅等，选择范围广，可见适应性比较强。其次，电容式传感器具有动态响应好，分辨率高的特点。由于在极板间的静电引力小，作用能量值也相应降低，能活动的地方可以做的很小很薄，重量轻，因此电容式传感器的固有频率会随之升高，动态响应时间变短，在几兆赫的频率下即可工作，因此，此电容器特别适用于动态测量。又由于需要的输入的能量低，所以即便只是测量极小的压力、力和加速度，也可以做到很灵敏，很精确。电容式传感器在一般情况下可视为纯电容，其容抗值为xc=1/jwc，当w为常数时，容

抗随电容的减小而增大。一般电容式传感器受几何尺寸的限制，其电容量是很小的，有的甚至只有几个皮法，所以，电容式传感器具有高阻抗的特点，又由于电容器本身的c很小，所以电容式传感器呈现小功率的特性。功率小，发热自然低，因此温度的变化对测量的误差很小。对于非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器的不足之处及解决办法：电容式传感器是以静电场有关理论为基础制成的，从静电场角度考虑，影响其工作性能的因素是存在的，因此在设计和应用时，应给予考虑。首先，电容式传感器输出与输人之间的关系出现较大的非线性，这时可以采用差动式结构解决非线性大的局限性，但只能缓解，不能完全消除，这也是电容式传感器使用的局限性。因其电容小，所以负载能力较差，为了提高工作电容值，可以在极板间加入介电常数高的绝缘材料，并减少极板间的间距来间接提高提高电容数值；因其电容值的偏低，所以对后续放大器要求很高，这时可以采用提高电源频率的方法降低容抗值，采用高输入阻抗运放作放大器，以减小在放大环节的信号衰减。采用带通或选频放大技术，对信号频率进行放大而滤去低频信号，采用屏蔽，将传感器和测量电路装在屏蔽壳体中，减少寄生电容和外界干扰的影响，减小极板厚度，增加极板宽度，以削弱极板的边缘效应和非线性误差。

2、电容式传感器的工作原理

电容式传感器实际的基本包括了一个接收器tx与一个发射器

rx，其分别都具有在印刷电路板（pcb）层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和尽缘体。当有物体靠近时，电极的电场就会发生改变。从而感应出物体的位移变化量。在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。此外，在机械制造技术方面，从小批量生产到连续程序控制.从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备.都需要大量的压力传感器。为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转，对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高.测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构；而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构.对高压和低压两例的接触溶液膜加压后，通过密封液加到感压膜上，感压膜（可变电极）接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置，感压膜的位移，使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差，这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20madc的输出信号。以加速度传感器是根据压电效应[1]。

3、电容式压力传感器的应用举例

电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精

度可达5μm[2]。

（1）电容式测厚仪：测量金属带材在轧制过程中厚度 c1、c2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为c= c1+c2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。

（2）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。

（3）电容式压力传感器：电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力，当液体或气体压力作用于弹性膜片，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。目前，电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。

（4）电容式测微仪高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。电容式测微仪整机线路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流电路，测振电路和高稳定度稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽，其线路地端和屏蔽盒相连，精密整流电路接地。

（5）电容式加速度传感器加速度传感器是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转

化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平，走下坡，还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面.

4、结束语

电容式传感器是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比，具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点，在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用。电容式传感器本身就是电容器，在被测量的作用下，将被测量转化成相应的电容变化量。因此，在设计及应用时要根据传感器和被测量间函数关系的一些参数和

所采用的介质以及工作条件等来确定采用何种工作方式、结构形式。结构元件的材料以及传感器输出信号的转换原理等。

电容式传感器应用领域主要是压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量，量测液体位准、