[科普中国]-电容传感器

电容传感器是指将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。实际上，它本身（或和被测物体）就是一个可变电容器。1

原理由物理学知识可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

式中，——真空的介电常数，=；

ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

A——极板的重合面积，m²；

δ——两平行极板间的距离，m。

上式表明，当被测量δ，A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个参数，就可以把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型的应用较广泛。1

特点电容传感器有如下一些特点：

①结构简单；

②动作时需要能量低，由于带电极板间静电吸引力很小（约几个N），因此电容传感器特别适宜用来解决输入能量低的测量问题；

③动态特性好，电容传感器的相对变化量只受线性和其它实际条件的限制，如果使用高线性电路时，电容变化量可达100%或更大；

④自然效应小；

⑤动态响应快以及能在恶劣的环境下工作。但由于电容传感器的初始电容较小，受引线电容、寄生电容的干扰影响较大；另一方面电容传感器输出特性为非线性。2

应用电容传感器可以直接测量的非电量为：直线位移、角位移及介质的几何尺寸（或称物位），直线位移及角位移可以是静态的，也可以是动态的，例如是直线振动及角振动。用于上述三类非电参数变换测量的变换器一般说来原理比较简单，无需再作任何预变换。

用来测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等量的传感器，往往采用单极式变间隙电容传感器，使用时常将被测物作为传感器的一个极板，而另一个电极板在传感器内。近年来已采用这种方法测量油膜等物质的厚度。这类传感器的动态范围均比较小，约为十分之几毫米左右，而灵敏度则在很大程度上取决于选材、结构的合理性及寄生参数影响的消除。精度达到0.1μm，分辨力为0.025μm。可以实现非接触测量，它加给被测对象的力极小，可忽略不计。

测物位的传感器多数是采用电容式传感器作转换元件。电容式传感器还可用于测量原油中含水量、粮食中的含水量等。

当电容传感器用于测量其他物理量时，必须进行预变换，将被测参数转换成d，S或ε的变化。例如在测量压力时，要用弹性元件先将压力转换成d的变化。3

改善方法为了提高电容传感器的灵敏度、减小界干扰、寄生电容及漏电的影响和减小线性误差，可采用以下措施：

①由于当d减小时可使电容量加大从而使灵敏度增加，但d过小容易引起电容器击穿，一般可以在极板间放置云母片来改善；

②提高电源频率；

③用双层屏蔽线，将电路同电容传感器装在一个壳体中，可以减小寄生电容及外界干扰的影响。2

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学