基本介紹
- 中文名：電容式感測器
- 外文名：capacitive type transducer
- 電容計算公式：εS/d
- 套用：測量
- 發展時間：70年代末
- 所屬學科：自動化
簡介,原理,分類,優點,缺點,套用,
簡介
70年代末以來，隨著積體電路技術的發展,出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式感測器。這種新型的感測器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式感測器是一種用途極廣，很有發展潛力的感測器。
典型的電容式感測器由上下電極、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。但電容式壓力感測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。
原理
電容式感測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，這也是電容式感測器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。
電容式感測器是以各種類型的電容器作為感測元件，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。這就是電容式感測器的基本工作原理。
分類
根據感測器的工作原理可把電容式感測器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。
根據感測器的結構可把電容式感測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，每一種又依據感測器極板形狀分成平(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)式感測器，它具有靈敏度高、線性範圍寬、穩定性高等特點。
優點
1)溫度穩定性好
2)結構簡單
電容式感測器結構簡單，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；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高衝擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。
3)動態回響好
電容式感測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，動態回響時間短，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，因此系統工作頻率高。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
電容式感測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。
缺點
①輸出阻抗高，負載能力差。
無論何種類型的電容式感測器，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)，因此使電容式感測器的輸出阻抗很高，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。
電容式感測器的初始電容量很小，而連線感測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．因而使感測器處於不穩定的工作狀態．影響測量準確度。
套用
電容式感測器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、解析度高、動態回響特性好等優點，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減小環境溫度、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使用禁止電極並接地(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。
