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电容式传感器
作者：寻艳芳
来源：《消费电子·理论版》2014年第01期
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。
1 专题训练：电磁感应——电容器问题
1.如图所示，两光滑平行金属导轨间距为L，直导线MN垂直跨在导轨上，且与导轨接触良好，整个装置处在垂直于纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为B。电容器的电容为C，除电阻R外，导轨和导线的电阻均不计。现给导线MN一初速度，使导线MN向右运动，当电路稳定后，MN以速度v向右做匀速运动时( )
A.电容器两端的电压为零
B.电阻两端的电压为BLv
C.电容器所带电荷量为CBLv
D.为保持MN匀速运动，需对其施加的拉力大小为B2L2vR
2. (多选) (2017·唐山摸底)如图甲所示，水平放置的平行金属导轨连接一个平行板电容器C和电阻R，导体棒MN放在导轨上且接触良好，整个装置放于垂直导轨平面的磁场中，磁感应强度B的变化情况如图乙所示(图示磁感应强度方向为正)，MN始终保持静止，则0～t2时间内( )
A.电容器C的电荷量大小始终不变
B.电容器C的a板先带正电后带负电
C.MN所受安培力的大小始终不变
D.MN所受安培力的方向先向右后向左
3.(多选)如图所示，两光滑导轨相距为L，倾斜放置，与水平地面夹角为α，上端接一电容为C的电容器．导轨上有一质量为m长为L的导体棒平行地面放置，导体棒离地面的高度为h，磁感应强度为B的匀强磁场与两导轨所决定的平面垂直，开始时电容器不带电．将导体棒由静止释放，整个电路电阻不计，则( )
A． 导体棒先做加速运动，后做匀速运动
B． 导体棒一直做匀加速直线运动，加速度为a＝
C． 导体棒落地时瞬时速度v＝
D． 导体棒下落中减少的重力势能转化为动能，机械能守恒
4.平行水平长直导轨间的距离为L，左端接一耐高压的电容器C。轻质导体杆cd与导轨接触良好，如图所示，在水平力作用下以加速度a从静止到匀加速运动，匀强磁场B竖直向下，不计摩擦与电阻，求：
(1)所加水平外力F与时间t的关系；
(2)在时间t内有多少能量转化为电场能？
电容式传感器习题
3-1 电容式传感器有哪些优点和缺点？
答：优点：
①测量范围大。金属应变丝由于应变极限的限制，ΔR/R一般低于1％，。而半导
体应变片可达20％，电容传感器电容的相对变化量可大于100％；
②灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容，其相对变化量可以大致10－7。
③动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小，因此其固有频率很高，
适用于动态信号的测量。
④机械损失小。电容式传感器电极间吸引力十分微小，又无摩擦存在，其自然热
效应甚微，从而保证传感器具有较高的精度。
⑤结构简单，适应性强。电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料（如玻璃、
石英、陶瓷等）作绝缘支承，因此电容式传感器能承受很大的温度变化和各种形
式的强辐射作用，适合于恶劣环境中工作。
电容式传感器有如下不足：
①寄生电容影响较大。寄生电容主要指连接电容极板的导线电容和传感器本身的
泄漏电容。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，甚至
使传感器处于不稳定的工作状态。
②当电容式传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。
3-2 分布和寄生电容的存在对电容传感器有什么影响？一般采取哪些措施可以
减小其影响。 答：改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；
使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。
可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。
3-3 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？
答：采用可以差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。
3－4：答：驱动电缆技术是指传感器与后边转换输出电路间引线采用双层屏蔽电
缆，而且其内屏蔽层与信号传输线（芯线）通过1：1放大器实现等电位，由于
屏蔽电缆线上有随传感器输出信号变化而变化的信号电压，所以称之为“电缆驱
动技术”。
它能有效地消除芯线与屏蔽层之间的寄生电容。
其中，外屏蔽线则是用来接地以防止其他外部电场干扰，起到一般屏蔽层的作用。
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前言
绪论
第一章传感器及其基本特性
第一节传感器的定义、组成及分类
第二节传感器的基本特性
__小结
习题与思考题
第二章电阻应变式传感器
第一节应变式传感器
第二节应变式传感器的测量电路
第三节压阻式传感器
第四节应变式传感器的应用
__小结
习题与思考题
第三章电容式传感器 第一节电容式传感器的'工作原理与类型
第二节电容式传感器的测量电路
第三节电容式传感器的误差分析及补偿
第四节电容式传感器的应用
__小结
习题与思考题
第四章电感式传感器
第一节自感式传感器
第二节差动变压器式传感器
第三节电涡流式传感器
__小结
习题与思考题
第五章压电式传感器
第一节压电效应与压电材料
第二节压电传感器的等效电路和测量电路
第三节引起/玉,E9式传感器测量误差的因素
第四节压电传感器的应用
__小结
习题与思考题 第六章磁电式传感器
第一节磁电感应式传感器
第二节霍尔传感器
第三节磁敏电阻器
第四节磁敏二极管和磁敏三极管
第五节磁电传感器的应用
__小结
习题与思考题
第七章热电式传感器
第一节热电偶传感器
第二节热电阻式传感器
第三节半导体式热敏电阻
第四节热电式传感器的应用
__小结
习题与思考题
第八章光电传感器
第一节光电效应
第二节光电器件及其特性
第三节红外传感器 第四节光纤传感器
__小结
习题与思考题
第九章常用其他新型传感器
第一节气体传感器
