電容式傳感器

70年代末以來，隨着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佈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係是非線性關係，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，由於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] 

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。其中差動式一般優於單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性範圍寬、穩定性高等特點。 ^[2] 

1)温度穩定性好

電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，這有利於選擇温度係數低的材料，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，易於製造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高温，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的温度變化，承受高壓力，高衝擊，過載等；能測量超高温和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。

3)動態響應好

電容式傳感器由於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，又由於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，特別適用於動態測量。又由於其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此係統工作頻率高。它可用於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。當採用非接觸測量時，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。由於其空氣等介質損耗小，採用差動結構並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] 

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。由於輸出阻抗很高，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。由於寄生電容是隨機變化的．因而使傳感器處於不穩定的工作狀態．影響測量準確度。 ^[4] 

電容式傳感器具有結構簡單、耐高温、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，廣泛用於壓力、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減小環境温度、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使用屏蔽電極並接地(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]