电容式传感器的原理及其应用

电容式传感器的原理及其应用

Principle and Application of Capacitive Transducer

摘要：基于电容传感器的位移实验，介绍了电容式传感器的原理、结构、特

点及应用。并简明扼要地阐述了影响电容传感器精度的各种因素,提出了影响其

精度的解决措施。

关键词：电容式传感器；位移；精度

Abstract: This article is based on the measured displacement expriment of

capacity sensor, introduces the principle,structure,characteristics of capacitance

transducer. And diverse factors affecting precision of capacitive transducer are

elaborated concisely and solution measures to affect its precision are proposed.

Key words: Capacitive transducer ; displacement; precision

1引言

用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输

入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的

特点设计成的有关转换装置称为传感器。而被测的力学量(如位移、力、速度等)

转换成电容变化的传感器称为电容式传感器[1]。

从能量转换的角度而言，电容式传感器为无源式传感器。需要将被测的力学

量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距

离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又

都是通过长度或者长度比值进行测量的量；而其测量方法的相互关系也很密切。

另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求

测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要

求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1~5μm数量

级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，

最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。

2原理

电容式传感器可做成任何形式，但最常用的是平行极板电容器。从物理学知

识知，平行极板电容器的电容量C电容量为

CA/dr0A/d (1)

式中，ε是极板间介质的介电常数；εr为相对介电常数；ε0为真空介电

常数，ε0=8.85×10-12F/m；A为极板的面积；d为极板间的距离。由上式可知，

平行极板电容器的电容量C与电容器的ε、A、d三个结构参数有关。如果保持

其中两个参数不变，仅改变一个参数，就可把该参数的变化转换成电容量的变化，

通过测量电路转换为电量输出。因此，根据改变电容器的参数不同，电容式传感

器可分为变极距型、变面积型、变介电常数型。

3应用

通过电容式传感器的位移实验，进一步了解电容传感器的结构和特点。

3.1基本原理

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式

的一般优于单边的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图1所示：

它由两个圆筒一个圆柱组成。设圆筒半径为R，圆柱半径为r，圆柱长为x，则

电容量为C2x/ln(R/r)图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生ΔX位移

时，电容量的变化量为CC1-C222X/ln(R/r)，式中ε、2π、ln(R/r)

为常数，说明ΔC与ΔX位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图1 圆筒式变面积差动电容式传感器

3.2需用器件与单元：主机箱、电容式传感器、电容式传感器实验模板、测微头。

3.3实验步骤：

1、按图2将电容式传感器装于电容式传感器实验模板上并按图示意接线(实

验模板的输出Vol接主机箱电压表的Vin)。

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传3圈)。

3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到2V档，合上主机箱电源

开关，旋转测微头改变电容式传感器的动极板位置使电压表显示0V ，再转动测

微头(同一个方向)5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。

以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5ｍｍ位移读取电压表读数(这样转10

圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出X-V实验曲线(这样单行程位

移方向做实验可以消除测微头的回差)。

图2 电容式传感器位移实验安装、接线图

4、根据表1数据计算电容式传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。实验

完毕，关闭电源。

表1电容式传感器位移与输出电压值

3.4数据处理

X(mm) 10.600 11.100 11.600 12.100 12.600 13.100 13.600 14.100 14.600 15.100 V(mv) 0.385 0.329 0.264 0.198 0.127 0.056 -0.014 -0.086 -0.158 -0.230 ΔX

ΔV

S

/S

δ 0.056 0.112 0.065 0.066 0.071 0.130 0.132 0.142 0.500 0.071 0.142 0.137 0.1980.181*100%2.76%0.3850.230利用MatLAB软件绘出曲线图，程序如下：

x=10.600:0.500:15.100;

y1=[0.385 0.329 0.264 0.198 0.127 0.056 -0.014 -0.086

-0.158 -0.230];

title('电容式传感器测位移试验') 0.070 0.072 0.072 0.140 0.144 0.144 0.072 0.144

xlabel('X(mm)')

ylabel('V(mV)')

axis on

plot(x,y1,'-o')

hold on

y2=0.385:-0.068:-0.230;

plot(x,y2,'--r')

运行结果如下：

3.4实验结论

系统灵敏度S=ΔV/ΔX =0.137mV/mm，非线性误差δ=2.76%

4影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施

4.1温度的影响

4.1.1 温度对结构尺寸的影响

环境温度的改变将引起电容式传感器各零件几何尺寸和相互间几何位置的变化, 从而导致电容式传感器产生温度附加误差, 这个误差尤其在改变间隙的电容式传感器中更为严重, 因为它的初始间隙都很小, 为减小这种误差一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如电极的支架选用陶瓷材料, 电极材料选用铁镍合金, 近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。

4.1.2温度对介质介电常数的影响

[2]

传感器的电容值与介质的介电常数成正比,因此若介质的介电常数有不为零的温度系数,就必然要引起传感电容值的改变,从而造成温度附加误差。空气及云母介电常数的温度系数可认为等于零。而某些液体介质,如硅油、蓖麻油、甲基硅油、煤油等就必须注意由此而引起的误差。可以采用补偿电桥以抵消介电常数随温度的变化。

4.2漏电阻的影响

电容式传感器的容抗都很高,特别是当激励频率较低时。当两极板间总的漏电阻若与此容抗相近,就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响,它将使灵敏度下降。因此,应选取绝缘性能好的材料（通常要求绝缘电阻在100MΩ以上）作两极板间支架。如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等。当然,适当地提高激励电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求。

还应指出,由于电容式传感器的灵敏度与极板间距离成反比,因此初始距离应尽量取得小些,这样不仅会增大加工工艺的难度、减小变换器使用的动态范围,还会增加对支架等绝缘材料的要求,这时甚至要注意极间可能会出现的电压击穿现象。

4.3边缘效应的影响

边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除或减小的方法是在结构上增设防护电极,防护电极必须与被防护电极取相同的电位,尽量使它们同为地电位。

4.4外界电场的影响

电容式传感器一般原始电容值很小,只有几个甚至几十个皮法,易受外界电场的干扰。这样就要求采用高阻抗，低噪声的前置放大器；引出线应尽量短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电极应有可靠的接地，以减少外电场的干扰。 5结束语

近年来电容传感器应用更加广泛，精度也有了一定的发展和提高。

参考文献

[1] 蒙文舜等.电容传感器的原理及应用[J]. 陕西 2003

[2] 郭海峰.浅析影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施[J]. 中国井矿盐2007,第38卷