电容式传感器的应用与发展系别电子信息与电气工程系专业自动化班级 12级自动化卓越班姓名刘安睿劼汪峰丁玉梦学号 120503 120503 1205031035 老师储忠成绩电容式传感器的应用与发展摘要：电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。

它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、位移、液位、料面、成分含量等方面的检测。

由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。

电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。

变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。

变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，因此占有很重要的地位。

文中主要介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。

关键词：电容式传感器应用发展目录一、电容式传感器的工作原理 (1)二．电容式传感器的应用行业 (2)三．电容式传感器的基本方法 (3)1.普通交流电桥 (3)2.变压式电桥 (4)3.双T电桥电路 (4)4.运算放大器式测量电路 (4)5.脉冲调制电路 (5)6.调频电路 (5)四．电容式传感器在具体工程中的应用 (5)1.电容式位移传感器 (5)2.电容式转速传感器 (6)3.电容式加速度传感器 (6)4.电容式液位传感器 (6)5.电容式湿度传感器 (7)6.电容式测厚仪 (7)五．电容式传感器的发展趋势 (7)1.智能化 (7)2. 微型化 (8)六、参考文献 (8)一、电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为图1.1平行板电容器式中：ε——电容极板间介质的介电常数ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数;εr ——极板间介质相对介电常数;A ——两平行板所覆盖的面积;d 为两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得上式中的A ，d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。

如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。

在实际使用时，电容式传感器常以改变改变平行板间距d 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。

改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。

当动极板移动后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。

电容： dA c ε=x ∆x∆图1.2直线位移型此外，改变板间距d或者电介质ε，便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式，结构形式如下图所示，1.3变间隙式图 1.4变间介电常数式二．电容式传感器的应用行业1.电容式传感器的应用十分广泛，包括各种冷热轧带钢、钢板、铝板、铝箔、铜板、铜箔、转炉内衬、木材、食品、精密器件，各类橡胶片、橡胶膜、橡胶轮胎、塑料板材、布等透明及非透明柔性板材的厚度在线测量监控。

2.电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(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，还可用来测量压力、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、测量电介质的湿度、密度、厚度等。

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。

3. 电容式传感器在农业上的应用在农业生产中，长期以来，粮食水分检测一直依靠手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，人为影响很大。

但是国家在粮食收购过程中开始推行收购统一化、标准化，其中就包括粮食水分检测的标准化，因此设计一套粮食水分快速检测仪是十分必要的。

在设计中采用电容式传感器作为测量器件。

该传感器是根据变介质型电容式传感器设计的。

被测粮食放入电容式传感器两极板间时，由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。

在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位发生了平移，通过测量相角即可求得电容与电导的比值，从而测出粮食的含水量。

由于所测的粮食为颗粒形状，其装入容器中存在许多气隙，因而其介电常数较小，但其传感器的极板有效面积不能太小，因此本系统的电容式传感器采用同轴的圆筒型电容式传感器。

4.电容式传感器在工业上的应用饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的一个重要指标。

虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求,但灌注机长期高速运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞,从而造成灌注的实际值和设定值有偏差;有些含气饮料刚灌注好时会有大量泡沫存在,如果瓶盖没盖严,饮料将会溢出,从而导致饮料实际含量偏低。

所以,在实际生产中,饮料灌装好后要用液位检测仪实时检测瓶子的液位。

为了能够快速精确地检测液位,需要设计出一套测量精度高、速度快、造价低、维护容易的液位检测设备,而且这个设备对被测对象没有过多要求,对人体没有伤害,电容式液位检测装置可以满足上述要求。

三．电容式传感器的基本方法用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有：1.普通交流电桥电桥输出电压经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压大小与位移成线性关系，其正负极性反映位移的方向。

2.变压式电桥对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。

3.双T电桥电路二极管双T型交流电桥又称为二极管T型网络，如图所示。

e是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管，R1=R2 ，C1、C2为传感器的两个差动电容。

当传感器没有输入时，C1 = C2。

输出电压U0不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。

当电源电压确定后，输出电压U0是电容C1和C2的函数。

4.运算放大器式测量电路运算放大器的输出电压与极板间距离d线性关系。

运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。

5.脉冲调制电路输出电压与电容变化成线性关系6.调频电路调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至0.01 μm级位移变化量。

信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。

四．电容式传感器在具体工程中的应用电容式传感器的具体应用很广泛，常见的有：1.电容式位移传感器3.电容式加速度传感器装有传感器的假人气囊加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。

当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

4.电容式液位传感器聚四氯乙烯外套棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。

湿敏电容外形利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。

当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。

6.电容式测厚仪振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。

各频率值通过取样计数器获得数字量，消除非线性频率变换产生的误差，即可获得板材厚度。

五．电容式传感器的发展趋势1.智能化随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。

传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官，承载系统的信息源，采集来自储水箱里的水温、水量等信息，在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足轻重的地位。

然而，传感技术在太阳能热水器的应用由于受到恶劣使用环境的影响，一直很难保证长期可靠地运行，一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器，但是都没能从根本上解决品质问题，直到现在就连一年以上的使用寿命都还很难保保障.传感技术的落后，已成为影响行业发展的最大瓶颈。

对此我们认为，只有找准问题的症结所在，科学分析，逐一整理，做到有的放矢，选择合适的传感技术，才能达到事半功倍的效果，制造出符合设计要求的理想产品。

采用电容传感器是解决传感器技术难题的必由之路。

电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液态位测量。

目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。

2. 微型化为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。

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