電容式感測器

70年代末以來，隨著集成電路技術的發展,出現了與微型測量儀錶封裝在一起的電容式感測器。這種新型的感測器能使分佈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。

電容式感測器——將被測非電量的變化轉換為電容量變化的感測器。

根據被測參數的變化分：

（1）變極距型電容感測器(d)

（2）變面積型電容感測器(A)

（3）變介質型電容感測器(ε)

變面積型電容感測器

變電介質型電容式感測器

變介質型電容式感測器

目的：

提高靈敏度

減小非線性誤差

1、ZCS1100型精密電容位移感測器。本感測器可以在線檢測壓電微位移、振動台，電子顯微鏡微調，天文望遠鏡鏡片微調，精密微位移測量等。該感測器是一個單一的通道，高性能線性位移測量系統，創新的電容位移測量技術，提供了納米測量能力，成本低，適合測量任何導電目標。

2、FWS-CⅡ型在線電容式水分檢測感測器。在線檢測各種工作機械的液壓、潤滑系統介質的含水率，特別是外部水容易滲入機械內部的軋鋼機、造紙機、汽輪機、船舶機械。監視循環油系統是否存在泄漏，如水冷卻器等。監視工作機械的密封元件是否損壞，引起外部水滲入。監視環境空氣濕度對潤滑液壓系統油品品質和含水率的影響。，從而精確測定潤滑油質量，預測設備故障，是設備潤滑油管理中的關鍵部件。本感測器採用螺紋連

接，體積小，重量輕，結構可靠，測量精度高，工作穩定，具有較強的抗電磁干擾性能。封閉型不鏽鋼制外殼具有很好的防水防塵性能。可直接安裝於工廠現場液壓潤滑管道上。是理想的在線水分檢測感測器。

該感測器還可與控制室中的二次儀錶或控制器相連，在線、連續、實時的檢測各種低水分油品的含水率。直接顯示，遠程控制和報警。實現數據存儲，積算、傳輸和控制功能。普遍應用於大中型機械聯動機組的液壓、潤滑循環系統例如：高線軋機和板帶軋機潤滑油系統、板帶軋機和棒線軋機液壓傳動系統、汽輪發電機組潤滑系

統、造紙機組潤滑系統、船舶機械潤滑系統、燃料油庫。粘度計，污染度，濕度計電容式感測器3、FW-C1型電容式潤滑油實時在線監測感測器。本感測器可以在線準確測定潤滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它機械化學雜質污染度，從而精確測定潤滑油質量，判定是否需要更換潤滑油，即可節約油料，又能預測設備故障，是設備潤滑油管理中改變傳統的按期換油，實現按質換油的關鍵部件。本感測器採用螺紋連接，體積小，重量輕，結構可靠，是理想的在線潤滑油檢測感測器，可普遍應用於各類大型動力機械，軸承，齒輪箱，泵機和汽輪機的潤滑油檢測質量實時檢測中。該感測器還可與控制室中的二次儀錶或控制器相連，實現數據存儲，積算、傳輸和控制功能。

4、電容式壓力感測器

5、加速度感測器

6、差動式電容測厚感測器

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e的電解質時，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。

電容式感測器與電阻式、電感式等感測器相比有如下一些優點：

(1)高阻抗、小功率，因而所需的輸入力很小，輸人能量也很低。電容式感測器因帶電極板間靜電引力極小(約幾個10-5N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常髙，能感受0.001μm甚至更小的位移。

(2)溫度穩定性好。感測器的電容值一般與電極材料無關，有利於選擇溫度係數低的材料，又因本身發熱極小，對穩定性影響甚微。

(3)結構簡單，適應性強，待測體是導體或半導體均可，可在惡劣環境中工作。電容式感測器結構簡單，易於製造，可做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。

(4)動態響應好。由於極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態測量，如測量振動、瞬時壓力等。

(5)可以實現非接觸測量，具有平均效應。例如非接觸測量迴轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當採用非接觸測量時，電容式感測器具有平均效應，可以減小工作表面粗糙等對測量的影響。

電容式感測器的優點是結構簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。

電容式感測器存在的不足之處如下：

(1)輸出阻抗高，負載能力差。

(2)寄生電容影響大。

電容式感測器的初始電容量很小，而感測器的引線電纜電容(lm~2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及感測器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了感測器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使感測器工作不穩定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使感測器無法工作。因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。

為減小電纜分佈電容影響，可將電子線路的前級裝在離感測器敏感部分很近的地方，或採用所謂“雙層屏蔽等電位傳輸技術”，

又稱“驅動電纜”技術。這種方法的基本思路是：連接電纜採用內外雙層屏蔽，使內屏蔽層與被屏蔽的導線電位相同，因而兩者之間沒有容性電流存在，這樣使引線與內屏蔽之間的電纜電容不起作用，外屏蔽仍被接地而對外界電場起屏蔽作用，其原理如圖5-15所示。外屏蔽接地后，對地之間電容將成為1:1放大器的負載，它也與電容式感測器的電容無關。這樣無論電纜形狀和位置如何變化，都不會對感測器的工作產生影響。

實驗證明：採用驅動電纜技術，即使電容式感測器電容較小，在傳輸電纜長達10m時，感測器仍能很好地工作。

兩點注意：

工作頻率等於或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該先擇低於諧振頻率。

電容式感測器的有效電容除與位移有關外，還與角頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件（ω）相同。

缺點是輸出有非線性，寄生電容和分佈電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯接電路較複雜等。

電容感測器的特點：電容量小，變化更小（PF級）。理論上，交流電橋可作為電容感測器的測量電路，但由於電容及變化太小，不易實現。包括（1）調頻電路（2）運算放大器式電路（3）二極體雙T形交流電橋（4）脈衝寬度調製電路

特點：

（1）轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。

（2）具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。

（3）但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉換）轉化為電壓信號后，進行補償。

運算放大器式電路運算放大器要求：

特點：

（1）解決了單個變極板間距離式電容感測器的非線性問題

（2）要求Zi及放大倍數足夠大

（3）為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩定

（4）由於Cx變化小，所以該電路實現起來困難

（5）輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數大（接近理想放大器）

正負半周分析：

正半周：C1充電，電流順時針；C2放電，電流逆時針

負半周：C2充電，電流逆時針；C1放電，電流順時針

若C1=C2，則電流抵消，若C1≠C2，則RL有信號輸出

幾點說明：

（1）該電路電源頻率Mhz級，電源電壓幾十伏，電源的穩定性對輸出直接產生影響。

（2）當電容以PF級變化時，輸出以V級變化。