电容式传感器公式：电容传感器的原理及容量公式详解

有关电容传感器的工作原理，电容传感器作为一种测量用传感器，其工作原理是什么样的，电容器的容量公式及参数是什么样的，一起来了解下。
电容传感器的原理
电容传感器，又为电容物位计，它的电容检测元件是基于圆筒形电容器原理来工作的，圆筒形电容器由两个相互绝缘的同轴圆柱极板构成，在两个极板之间填充介质。
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：
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。
保持其中两个参数不变，仅改变另一个参数，即可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。
电容器的容量公式：C=2∏eL/lnD/d。
其中，ε表示两极板间介质的介电常数，L表示两极板之间相互重合的长度，D表示外面的圆柱形极板的直径，d表示里面的圆柱形极板的直径。
在固定情况下测量时，其D、d、e三个参量不会变，便可以根据测量的电容量，求得液位的高度。
以上介绍了电容传感器的原理，电容传感器在工作时，如何根据电容量来得到液位高度，希望对大家有所帮助。
相关阅读：
1、电容式接近开关的原理图解
2、电容式传感器的灵敏度与非线性误差
3、电容式压力传感器的元件与原理

电容式传感器公式：电容式传感器

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电容式传感器
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电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。
中文名
电容式传感器
外文名
capacitive type transducer
电容计算公式
εS/d
应    用
测量
发展时间
70年代末
所属学科
自动化
目录
1
简介
2
原理
3
分类
4
优点
5
缺点
6
应用
电容式传感器简介
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语音
70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
电容式传感器原理
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语音
电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为
式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。
[1]
电容式传感器分类
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根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种，每一种又依据传感器极板形状分成平(圆形)板形和圆柱(圆筒)形，虽然还有球面形和锯齿形等其他形状，但一般很少用。其中差动式一般优于单组(单边)式传感器，它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。
[2]
电容式传感器优点
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1)温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损，易发热产生零漂。2)结构简单电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。3)动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10^(-5)N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。4)可以非接触测量且灵敏度高可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。
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电容式传感器缺点
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①输出阻抗高，负载能力差。无论何种类型的电容式传感器，受电极板几何尺寸的限制，其电容量都很小，一般为几十到几百皮法(pF)，因此使电容式传感器的输出阻抗很高，可达
～
Ω。由于输出阻抗很高，因而输出功率小，负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。②寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出。由于寄生电容是随机变化的．因而使传感器处于不稳定的工作状态．影响测量准确度。
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电容式传感器应用
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电容式传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点，广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。但在使用中要注意以下几个方面对测量结果的影响：①减小环境温度、湿度变化(可能引起某些介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置发生变化)；②减小边缘效应；③减少寄生电容；④使用屏蔽电极并接地(对敏感电极的电场起保护作用，与外电场隔离)；⑤注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。
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电容式传感器有哪些优点？
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。下面，我们一起来看看电容式传感器的优点吧。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装...
2020-11-120
阅读68
参考资料
1.

钱爱玲，钱显毅主编；郝传永，陈丽华副主编；俞伟钧，鲍玉军参编．传感器原理与检测技术  第2版：机械工业出版社，2015.09
2.

姜香菊主编；吴蓉，范多进参编；张友鹏主审．传感器原理及应用：机械工业出版社，2015.03
3.

沈洁，谢飞主编；于玲，王欣，张益副主编．自动检测与转换技术  第2版：清华大学出版社，2015.01
4.

樊久铭，刘彦菊主编．工程力学实验=experiments in engineering mechanics：哈尔滨工业大学出版社，2015.08
5.

胡向东，唐贤伦，胡蓉编著．现代检测技术与系统=Modern Detecting Technologies and System,：机械工业出版社，2015.02

电容式传感器公式：电容式传感器_1

摘 要：电容式传感器是一种把非电物理量转换成与之有确定对应关系的电容量，再通过测量电路转换成电压（或电流）信号的一种装置。电容式传感器逐渐成为高灵敏度、高精度的传感器。
关键词：电容；极板；电介质
中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度发达的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为社会发展的必然趋势，而它们的共同要求是必须建立在强大的信息工业基础上。人们只有从外界获取大量准确、可靠的信息，再经过一系列的科学分析、处理、加工，才能认识和掌握自然界中的各种现象及其相关发展变化规律，进而促成科学技术的发展。现代信息技术的三大基础是信息采集，信息传输和信息处理，而信息采集用到的便是传感器技术。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节。
传感器，Transducer or Sensor，是一种能感受被测量并按一定的规律转换成有用（与之有对应关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置，它由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器的分类方式有多种，其中按照工作原理分类，可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热敏式传感器。而这里要论述的是电容式传感器。
电容式传感器是一种把非电物理量转换成与之有确定对应关系的电容量，再通过测量电路转换成电压（或电流）信号的一种装置。它在非电量检测中应用十分广泛。
电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、动态响应好、可实现非接触测量等优点；但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来了一定的局限性。随着材料、工艺、电子集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到了发扬，而缺点也在不断的克服中，电容式传感器逐渐成为高灵敏度、高精度的传感器。
一、电容式传感器的工作原理
电容式传感器实质是一种有可变参数的平行板电容器。平行板电容器是由两块相距很近的平行金属板，中间夹上一层绝缘物质构成。其中这两块金属板称为电容器的极板，绝缘物质称为电介质。电容器的电容量与两极板间介质的介电常数、两极板的相对覆盖面积，两极板间距离有关。这三个参数的改变均使电容C发生变化。因此可以固定其中两个参数不变，而使另外一个参数改变。如果变化的参数与被测量之间存在一定的函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容的变化反映出来。由此，可以把电容式传感器分为三种类型：
1.变面积式电容传感器――两极板的相对覆盖面积变化，介电常数、极板间距离不变。
2.变极距式电容传感器――极板间距离变化，介电常数、极板的相对覆盖面积不变。
3.变介电常数式电容传感器――介电常数变化，极板的相对覆盖面积、极板间距离不变。
二、电容式传感器的测量电路
电容式传感器的测量电路主要是把电容转换为电压（或电流）输出，常用的测量电路有：普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。
三、电容式传感器在应用中应注意的问题
（一）温度的影响
物质有热胀冷缩的特性，电容器也不例外，当环境温度改变时，电容式传感器的各部件的几何尺寸和相对位置将发生变化，由于电容器因为极板间距很小而对结构尺寸的变化特别敏感。此外电介质的介电常数也会因为温度的变化而发生改变。而要减小温度对测量结果的影响，可采取以下方式：
（1）在设计电容式传感器时，选择合理的极板间距。
（2）在制造电容式传感器时，选用温度膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料及电介质。
（3）测量电路采用差动对称结构。
（二）电容电场的边缘效应
所谓电容电场的边缘效应指的是在极板的边缘附近，电场分布是不均匀的，这就相当于传感器并联了一个附加电容，导致传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了减小边缘效应对测量结果的影响，可采取以下措施：
（1）在制造电容器时，选择合理的初始电容量。
（2）加装等位环。具体做法为：在极板A的同一平面内，加一个同心环面G。A和G在电气上相互绝缘，二者之间的间隙越小越好。使用时必须保持A和G等电位，故而称G为等位环。这样可使极板边缘处的电场接近匀强电场了。
（三）寄生电容的影响
任何两个彼此绝缘的导体均可构成电容器。电容式传感器除了两个极板间的电容外，还可以与周围导体产生电容联系。这种电容称为寄生电容。有些电容式传感器本身电容很小，那么寄生电容就会使传感器电容量发生明显改变。而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。
为了克服寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳内，并将壳体良好接地。同时，电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套也要良好接地。
四、电容式传感器应用举例
（一）电容式接近开关
测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断，接近开关的检测物体，并不限于是金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。
（二）电容式键盘
常用的键盘有两种：机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的改变，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率小。
（三）电容式指纹传感器
电容式指纹传感器有单触型和划擦型两种，是目前最新型的固态指纹传感器，它们都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集的。当指纹中的凸起部分置于传感器电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。
（四）电容式听诊器
医学上常用的电容式听诊器是一种单电容式压力传感器，一个极板在听诊器的内部，另一极板为听诊器的膜片。当绷紧的膜片受声压作用，极板间距发生变化，从而使电容器的电容发生变化，电容的变化与声压的大小在一定范围内呈线性关系。
参考文献：
[1]颜全生.自动检测与传感器应用[M].北京：中国劳动（社会保障）出版社，2006.
[2]王松林，鲁高奇.电容式传感器测量电路设计[J].产品设计与开发，2011（01）.

电容式传感器公式：电容式传感器工作原理

　　导读：本文主要介绍的是电容式传感器的工作原理，感兴趣的童鞋们快来学习一下吧~~很涨姿势的哦~~
本文引用地址：电容式传感器工作原理--简介
　　电容式传感器是一种把被测的机械量转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型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。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
2.电容式传感器工作原理--优缺点
　　电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
3.电容式传感器工作原理
　　电容式传感器的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度;D为外筒电极的直径;d为内筒电极的直径;e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，所以电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高等特点。
　　拓展阅读：
　　1.湿度传感器工作原理
　　2.常见传感器分类和工作原理
　　3.电容式湿度传感器基础知识