第三章 电容式传感器 第四节电容式传感器应用举例

工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald48电容式传感器是一种利用电容变化把非电物理量转换成电信号的装置。

它的应用十分广泛，比如:可以用于运动学物理量的测量，也可以用于液面、物质成分、湿度等方面的测量。

它的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，动态响应特性好，可实现非接触测量，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，联接电路比较复杂等。

随着技术的发展，电容式传感器正在逐渐扬长避短[1]。

电容式传感器的原理可用平行板电容器简单阐释。

假设忽略边缘效应，平行板电容器电容为0r SS C dd==，其中为极板相对覆盖面积，为极板间距，r 为电介质的相对介电常数，0为真空介电常数，=r为电介质的介电常数。

、或r发生变化时，就改变了电容。

或的变化可以反映位移的变化，也可以间接反映力和加速度等的变化，r 的变化则可反映液面高度和材料厚度等的变化。

根据上述原理，电容式传感器可分为3类，即极距变化型、面积变化型和介质变化型电容传感器。

1 变极距型电容传感器以平行板电容器为例，上极板固定不动，下极板为动极板，设初始时两极板距离为0。

当距离减小Δ时，则电容相应增大00dC C d d∆∆=⋅-∆，电容的相对变化为00011/C d C d d d ∆∆=⋅-∆ (1)当Δ/<<1时，将上式按泰勒级数展开，得:200001C d d d C d d d ⎡⎛⎫∆∆∆∆⎢=+++ ⎪⎢⎝⎭⎣…⎤⎥⎥⎦(2)①基金项目：安徽省教育厅教学研究项目：应用型本科大学物理教学改革——以安徽工程大学机电学院为例（项目编号：2015jy x m726）和安徽工程大学机电学院校级教学研究项目：构建工科类专业大学物理教学的典型案例库。

作者简介：孙辉（1986,4—）,男,汉,安徽芜湖人,博士,讲师，研究方向：大学物理教学研究。

电容式传感器应用实例演示电容式传感器是一种广泛应用于工业领域的传感器之一，它通过测量电容的变化来检测环境中的物理量。

其原理是利用了介质的电容与其周围环境的关系，当介质的性质或位置发生改变时，电容值也会发生相应的变化。

以下是几个电容式传感器应用实例的演示：1.液位检测：在液体储罐中安装电容式液位传感器，通过测量液位与罐壁之间的电容变化来确定液位的高低。

当液位上升时，液体与罐壁之间的介电常数增加，导致电容值增加；反之，当液位下降时，电容值减小。

这种液位检测方法广泛应用于石油、化工等行业。

2.触摸传感：将电容式传感器应用于触摸屏上，能够实现触摸位置的精确检测。

触摸屏上覆盖了一层由导电材料制成的感应层，当手指接触屏幕时，手指周围的电场会影响感应层上的电容。

通过测量这个电容的变化，可以确定手指触摸的位置，并将其转化为相应的控制信号。

3.地热能利用：利用地下的地热能作为供暖或供冷的能源已经成为一种环保的方式。

电容式传感器可以用于监测地下能源的温度变化，通过测量地下水或土壤的电容来确定温度变化的幅度和趋势。

这种监测方式有助于科学合理地利用地下的地热能，提高能源利用效率。

4.空气质量检测：通过检测空气中各种气体的电容变化，可以判断空气质量的优劣。

电容式传感器能够感知空气中的气体浓度变化，从而实时监测空气中的有害气体浓度。

将这些传感器应用于空气净化器或环境监测设备上，可以实时监测和改善室内空气质量。

5.智能农业：电容式传感器可以应用于农业领域，实现土壤湿度的准确测量。

根据土壤的含水量不同，土壤的电容也不同，通过测量土壤与传感器之间的电容变化，可以判断土壤的湿度状况。

利用这些数据，可以实现精准的灌溉控制，提高农作物的产量和质量。

总结：电容式传感器广泛应用于液位检测、触摸传感、地热能利用、空气质量检测和农业等领域。

通过测量电容的变化，可以实现对环境中各种物理量的检测和监测。

随着科技的不断进步，电容式传感器在各个领域的应用也将不断扩大和深入。

第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。

由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。

这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。

而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。

第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。

多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。

由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。

A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r 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另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。

因此。

电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。

在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距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。

二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。

若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。

电容式传感器原理及其应用
传感器通常由两个电极组成：一个是探测电极，用于和物体接触形成
电容；另一个是参考电极，用于和环境隔离，提供一个参考电容。

当物体
接近传感器时，探测电极和参考电极之间的电容会发生变化。

1.位置检测：在机器人、自动门、车辆等设备上，可以使用电容式传
感器来检测物体的位置，以便进行准确控制。

2.形状检测：电容式传感器可以根据物体所形成的电容来检测物体的
形状，适用于模具、雕塑、冲压等领域。

3.压力检测：电容式传感器可以根据物体施加的压力来测量电容的变化，常用于汽车空调系统、机械手等设备中的压力控制。

4.湿度检测：在湿度计、空调、除湿器等设备中，电容式传感器可以
通过测量物体和介质之间的相对湿度来判断湿度的变化。

5.液位检测：电容式传感器可以通过测量液体的介电常数来判断液位
的高低，用于液位测量仪表、储罐等设备。

6.运动检测：电容式传感器可以通过检测物体运动时电容的变化来实
现运动检测，常用于门禁系统、人体感应灯等。

7.接近开关：电容式传感器可以检测物体与传感器之间的距离，常用
于接近开关、自动水龙头、触摸屏等设备。

8.手势识别：电容式传感器可以检测手的位置和动作，实现手势识别，常用于智能手机、智能手表等设备中。

总结来说，电容式传感器具有广泛的应用领域，可以用于位置检测、形状检测、压力检测、湿度检测等。

其原理是通过测量电容的变化来获取物体或环境的相关信息，为现代科技领域提供了重要的技术支持。

电容式传感器的应用和发展
一、电容式传感器及其应用
1、什么是电容式传感器
电容式传感器是一种能够检测被测目标电容值的变化而产生额外的电
路反应的传感器。

它的特点是可以检测到微小的变化，适用于多种检测应用，如温度、湿度、压力、电阻、反应物浓度的测量。

简单的电容式传感
器由两个平板相互垂直放置，当外界目标的电容发生变化时，传感器的输
出电流也会发生变化。

2、电容式传感器的应用
（1）温度、湿度检测：电容式传感器可以应用于温度、湿度的检测，是温湿度检测技术的重要组成部分。

它可以直接检测温度和湿度变化，并
能够迅速反映温度和湿度的变化，采用更安全、可靠、精确的方法进行环
境检测。

（2）电阻、电容测量：电容式传感器可以用来测量低电阻、电容等。

它可以检测目标物体的负载电容、相对湿度、电阻率等参数，从而实现目
标物体的检测。

它具有较高的精度，可以检测准确性，从而对特定测量应
用起到保护作用。

（3）测量气体浓度：电容式传感器可以用来测量气体浓度。

它可以
根据气体的电容和湿度的变化，可以实现精确测量气体浓度。

它比其他技
术具有更高的精度和可靠性，可以提高工业检测效率。

（4）测量液位：电容式液位传感器可以测量液位。