电容式传感器的工作原理以及电容式传感器的特点

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量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。在采用电容技术的应用中，电容式接近开关的灵敏度取决于目标物体的材料特性。金属、塑料或液态物体的材料特性将会影响感测范围，从而影响电容式传感器的输出探测点。

一、电容式传感器的工作原理

二、电容式传感器的分类类型

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。

三、电容式传感器的特点

1、优点

（1）温度稳定性好。电容传感器的电容值通常与电极材料无关，这有利于选择具有低温系统的材料，并且由于它产生的热量很少，因此对稳定性的影响很小。电阻传感器具有电阻并在通电后产生热量：电感传感器具有铜损，磁通量和涡流损耗等，由于热量容易产生零漂移。

（2）结构简单。电容式传感器结构简单，易于制造，易于确保高精度，并且可以做得很小以实现某些特殊测量：它们可以在高温，强壮的车辆和船舶以及强磁场等恶劣环境中工作，并能承受较大的温度变化，承受高压，高冲击过载等。它可以测量超高温和低压差，还可以测量磁性功。

（3）动态响应良好。由于带有电极的板之间的静电引力很小（约105N），因此电容式传感器需要的能量很小，并且由于其运动部分可以做得非常小和薄，即重量很轻，因此它的重量很轻。自然频率很高，动态响应时间短，并且可以在几兆赫兹的频率下工作，特别适合动态测量。并且由于其低介电损耗，因此可以通过较高的频率供电，因此系统具有较高的工作频率。它可以用来测量高速变化的参数。

（4）可实现平均效果的非接触式测量。例如，旋转轴的振动或偏心率的非接触式测量，小球轴承的径向游隙等。使用非接触式测量时，电容式传感器具有求平均值的作用，可以减小工作表面粗糙度的影响在测量上。除了上述优点外，电容式传感器在电极板之间还具有较小的静电引力，因此输入和输入能量极小，因此它可以测量极低的压力，以及较小的加速度，位移等，可以制成非常灵敏，高分辨率且对001m甚至更小的位移敏感的传感器：由于其低的介电损耗（例如空气），将差分结构连接成桥式时产生的零残留非常小，因此允许电路进行高倍放大，使仪器具有高灵敏度。

2、缺点

（1）高输出阻抗，较差的负载能力·电容传感器的容量受通用几何尺寸的影响限制通常只有几pF到几百pF，这使得传感器的输出阻抗非常高，尤其是在使用音频范围的交流电源时，输出阻抗高达1061082因此，传感器的负载能力非常差，并且容易受到外部干扰的影响并产生不稳定。在严重的情况下，它甚至无法工作。必须采取屏蔽措施，给设计和使用带来极大的不便。大阻抗还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（超过几十个MQ），否则绝缘部分将用作旁路电阻并影响仪器的性能（例如降低灵敏度）。因此，应特别注意温度，清洁度等周围环境。不使用高频电源会降低传感器的输出阻抗，但是高频放大和传输要比低频复杂得多，而且寄生电容影响很大，不易保证工作的稳定性。

（2）电容由于结构和尺寸的限制，类型传感器的电容很小（几pF到几十pF），并且引线电容连接传感器和电子电路（1-2m的导线可以达到800pF），其他电子电路的体积电容以及由传感器内板及其周围导体形成的“寄生电容”相对较大，这不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（电缆电容）经常随机变化，这将使仪器工作非常不稳定。影响测量精度，因此对电缆的选择，安装和连接有要求。随着材料，技术，电子技术特别是集成技术的发展，电容式传感器的优点不断发扬，而缺点却不断被克服。电容式传感器正逐渐成为一种具有高灵敏度，高精度的传感器，并有望在动态，低压和一些特殊测量领域得到发展。

四、电容式传感器的应用领域

电容感器可用来测量直线位移、角位移,振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅),尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量,还可用来测差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量点介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时,往往采用单电极式变极距型电容传感器,这时被测物是电容器的一个电极,另一个电极则在传感器内。航空航天、汽车制造、石油化学、烧砖、陶瓷、表面处理、大气环境、环境实验箱、食品、饮料、高科技、暧通、工业、冶金、气象、计量、军事、制药、造纸等行业都有用到。

五、电容式传感器在汽车行业的应用案例

以前的电容分析系统要求测量的电容比较大,以及接触时电容值的变化很大。对传感器制造商来说,需要足够大的变化经常会带来问题,而在较小的电容传感器却不会出现。采用Σ-Δ技术能够对不同的动态和精度需求提供灵活的解决方案,并且使传感器系统具有及其低的电源要求。CDC设备已经用于几种汽车应用,在许多其他领域的应用正在增加。

六、电容式传感器在军事行业内的应用案例

在使用电容式传感器的过程中，如果是军事行业内的应用的话，我们需要考虑的细节还是非常多的。比如在进行运输环节的冲击测试的时候，像军用汽车在这方面是需要高技术运用的，这样才可以保障高效率的运输，而且也需要保障一定的安全，为此对于测试的灵敏度来说，其传感器对加速度的测试效果要保持一定的精确度，这样在使用的过程中才可以确保一定的振动效果，为此无论选择哪一类型的电容传感器，都要注意具体的运用范围。

七、电容式传感器在自动化行业的应用案例（常见）

在自动化行业领域中，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。
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