電容式傳感器公式：電容傳感器的原理及容量公式詳解
有關(guān)電容傳感器的工作原理，電容傳感器作為一種測量用傳感器，其工作原理是什么樣的，電容器的容量公式及參數(shù)是什么樣的，一起來了解下。
電容傳感器的原理
電容傳感器，又為電容物位計，它的電容檢測元件是基于圓筒形電容器原理來工作的，圓筒形電容器由兩個相互絕緣的同軸圓柱極板構(gòu)成，在兩個極板之間填充介質(zhì)。
由物理學(xué)知識可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為：
ε——極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中，ε=1；
A——極板的重合面積，m2；
δ——兩平行極板間的距離，m。
上式表明，當(dāng)被測量δ，A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。
保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變另一個參數(shù)，即可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
電容器的容量公式：C=2∏eL/lnD/d。
其中，ε表示兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，L表示兩極板之間相互重合的長度，D表示外面的圓柱形極板的直徑，d表示里面的圓柱形極板的直徑。
在固定情況下測量時，其D、d、e三個參量不會變，便可以根據(jù)測量的電容量，求得液位的高度。
以上介紹了電容傳感器的原理，電容傳感器在工作時，如何根據(jù)電容量來得到液位高度，希望對大家有所幫助。
相關(guān)閱讀：
1、電容式接近開關(guān)的原理圖解
2、電容式傳感器的靈敏度與非線性誤差
3、電容式壓力傳感器的元件與原理
電容式傳感器公式：電容式傳感器
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電容式傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
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。
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉(zhuǎn)物理量或機(jī)械量換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
中文名
電容式傳感器
外文名
capacitive type transducer
電容計算公式
εS/d
應(yīng) 用
測量
發(fā)展時間
70年代末
所屬學(xué)科
自動化
目錄
1
簡介
2
原理
3
分類
4
優(yōu)點(diǎn)
5
缺點(diǎn)
6
應(yīng)用
電容式傳感器簡介
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語音
70年代末以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)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布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌５湫偷碾娙菔絺鞲衅饔缮舷码姌O、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)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(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。
電容式傳感器原理
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語音
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(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)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(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)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(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高，價格便宜等特點(diǎn)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，由于被測量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)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]
電容式傳感器分類
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根據(jù)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(zhì)型三種類型。根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)可把電容式傳感器分為三種類型的結(jié)構(gòu)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(jù)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(yōu)于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
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電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)
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1)溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。2)結(jié)構(gòu)簡單電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進(jìn)行測量。3)動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于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，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)。4)可以非接觸測量且靈敏度高可非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，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(yōu)點(diǎn)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(yīng)0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接成電橋式時產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。
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電容式傳感器缺點(diǎn)
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①輸出阻抗高，負(fù)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(dá)
～
Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)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(dǎo)體構(gòu)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。由于寄生電容是隨機(jī)變化的．因而使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)．影響測量準(zhǔn)確度。
[4]
電容式傳感器應(yīng)用
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電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于壓力、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(jié)果的影響：①減小環(huán)境溫度、濕度變化(可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化)；②減小邊緣效應(yīng)；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地(對敏感電極的電場起保護(hù)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]
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電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)？
電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉(zhuǎn)物理量或機(jī)械量換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。下面，我們一起來看看電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)吧。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測轉(zhuǎn)物理量或機(jī)械量換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝...
2020-11-120
閱讀68
參考資料
1.
錢愛玲，錢顯毅主編；郝傳永，陳麗華副主編；俞偉鈞，鮑玉軍參編．傳感器原理與檢測技術(shù) 第2版：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.09
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胡向東，唐賢倫，胡蓉編著．現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)=Modern Detecting Technologies and System,：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.02
電容式傳感器公式：電容式傳感器_1
摘 要：電容式傳感器是一種把非電物理量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電容量，再通過測量電路轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號的一種裝置。電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
關(guān)鍵詞：電容；極板；電介質(zhì)
中圖分類號：TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為社會發(fā)展的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在強(qiáng)大的信息工業(yè)基礎(chǔ)上。人們只有從外界獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息，再經(jīng)過一系列的科學(xué)分析、處理、加工，才能認(rèn)識和掌握自然界中的各種現(xiàn)象及其相關(guān)發(fā)展變化規(guī)律，進(jìn)而促成科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術(shù)。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制的主要環(huán)節(jié)。
傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成有用（與之有對應(yīng)關(guān)系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。
電容式傳感器是一種把非電物理量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電容量，再通過測量電路轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號的一種裝置。它在非電量檢測中應(yīng)用十分廣泛。
電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術(shù)的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到了發(fā)揚(yáng)，而缺點(diǎn)也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一種有可變參數(shù)的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質(zhì)構(gòu)成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質(zhì)稱為電介質(zhì)。電容器的電容量與兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)、兩極板的相對覆蓋面積，兩極板間距離有關(guān)。這三個參數(shù)的改變均使電容C發(fā)生變化。因此可以固定其中兩個參數(shù)不變，而使另外一個參數(shù)改變。如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：
1.變面積式電容傳感器――兩極板的相對覆蓋面積變化，介電常數(shù)、極板間距離不變。
2.變極距式電容傳感器――極板間距離變化，介電常數(shù)、極板的相對覆蓋面積不變。
3.變介電常數(shù)式電容傳感器――介電常數(shù)變化，極板的相對覆蓋面積、極板間距離不變。
二、電容式傳感器的測量電路
電容式傳感器的測量電路主要是把電容轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）輸出，常用的測量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運(yùn)算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。
三、電容式傳感器在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題
（一）溫度的影響
物質(zhì)有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當(dāng)環(huán)境溫度改變時，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對位置將發(fā)生變化，由于電容器因為極板間距很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。此外電介質(zhì)的介電常數(shù)也會因為溫度的變化而發(fā)生改變。而要減小溫度對測量結(jié)果的影響，可采取以下方式：
（1）在設(shè)計電容式傳感器時，選擇合理的極板間距。
（2）在制造電容式傳感器時，選用溫度膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料及電介質(zhì)。
（3）測量電路采用差動對稱結(jié)構(gòu)。
（二）電容電場的邊緣效應(yīng)
所謂電容電場的邊緣效應(yīng)指的是在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，這就相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個附加電容，導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，可采取以下措施：
（1）在制造電容器時，選擇合理的初始電容量。
（2）加裝等位環(huán)。具體做法為：在極板A的同一平面內(nèi)，加一個同心環(huán)面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環(huán)。這樣可使極板邊緣處的電場接近勻強(qiáng)電場了。
（三）寄生電容的影響
任何兩個彼此絕緣的導(dǎo)體均可構(gòu)成電容器。電容式傳感器除了兩個極板間的電容外，還可以與周圍導(dǎo)體產(chǎn)生電容聯(lián)系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會使傳感器電容量發(fā)生明顯改變。而且寄生電容極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，對傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
為了克服寄生電容的影響，必須對傳感器進(jìn)行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內(nèi)，并將殼體良好接地。同時，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。
四、電容式傳感器應(yīng)用舉例
（一）電容式接近開關(guān)
測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷，接近開關(guān)的檢測物體，并不限于是金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。
（二）電容式鍵盤
常用的鍵盤有兩種：機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的改變，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關(guān)是無觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率小。
（三）電容式指紋傳感器
電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(jìn)行信息采集的。當(dāng)指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
（四）電容式聽診器
醫(yī)學(xué)上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個極板在聽診器的內(nèi)部，另一極板為聽診器的膜片。當(dāng)繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發(fā)生變化，從而使電容器的電容發(fā)生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。
參考文獻(xiàn)：
[1]顏全生.自動檢測與傳感器應(yīng)用[M].北京：中國勞動（社會保障）出版社，2006.
[2]王松林，魯高奇.電容式傳感器測量電路設(shè)計[J].產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)，2011（01）.
電容式傳感器公式：電容式傳感器工作原理
導(dǎo)讀：本文主要介紹的是電容式傳感器的工作原理，感興趣的童鞋們快來學(xué)習(xí)一下吧~~很漲姿勢的哦~~
本文引用地址：電容式傳感器工作原理--簡介
電容式傳感器是一種把被測的機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。
2.電容式傳感器工作原理--優(yōu)缺點(diǎn)
電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，靈敏度高,過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。70年代末以來,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)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布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?br/>3.電容式傳感器工作原理
電容式傳感器的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2∏eL/lnD/d，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(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測量中D、d、e是基本不變的，所以電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高等特點(diǎn)。
拓展閱讀：
1.濕度傳感器工作原理
2.常見傳感器分類和工作原理
3.電容式濕度傳感器基礎(chǔ)知識
