电容式传感器

电容式传感器的工作原理
1电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一种利用电容原理来检测可检测对象的变化的设备。

它是由多种电容元件，如片式电容器、玻璃或瓷件电容器、膜片电容器等构成，几乎可以将其想象为一个简单的电路，能够从电容元件中获取任何变化信号。

当检测对象发生变化时，由检测对象生成的电容量也会发生变化，因而检测对象发生变化就可以通过变化的电容量来检测到。

以汽车发动机转速传感器为例，当驱动轴插针插入汽车发动机的转轴上时，由于插入针的探头与被检测物体——转轴上的圆齿板之间存在空隙，这个空隙就可以被理解为一种电容装置，在当转轴转动时，空隙中的电容量会随着转速的不同而发生变化，故可以检测出外界被检测物的转速的大小，并可以将其发送给汽车的控制电路来完成转速的控制和调整。

此外，电容式传感器也可以用来检测其他物体的变化，由于电容的变化是因外在的环境因素而发生的，所以电容式传感器更具有灵敏性抗外界环境的变化，可以给读数环境带来更精确的结果。

总之，电容式传感器是一种比较耐用、易于使用但又相对敏感的检测器，它有很多应用场合，几乎可以满足任何能够检测电容量变化的任务。

通常，电容式传感器用于汽车、航空、冶金等行业，可以提高工作效率，减少停机时间。

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，将被测物理量或机械量转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。

[1]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：测量简介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。

原理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。

[2]分类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。

电容传感器的原理分类及三类电容式传感器特点
电容传感器是一种常见的传感器类型，其原理基于电容的变化。

电容式传感器可以广泛应用于位移、角度、液位、压力等测量领域。

根据传感器的工作原理，电容式传感器可以分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

变极距型电容式传感器使用一个固定极板和一个可动极板构成，可动极板由被测金属平面充当。

当电容式传感器极板间距因被测量变化而变化时，电容变化量为极距是时的初始电容量。

这种类型的传感器一般用来测量微小的位移变化量，但其量程远小于两极板间的初始距离，因此存在原理性非线性误差。

变面积型电容式传感器则是通过改变极板的面积来实现电容的
变化。

这种传感器通常用于测量压力、液位等物理量。

变面积型电容式传感器的特点是灵敏度高、稳定性好，但结构复杂、成本较高。

变介质型电容式传感器则是通过改变极板之间的介质来实现电
容的变化。

这种传感器通常用于测量温度、湿度等物理量。

变介质型电容式传感器的特点是灵敏度高、响应速度快，但受环境影响较大，稳定性较差。

在实际应用中，电容式传感器常常仅改变其中一个参数，以实现电容的变化。

因此，电容式传感器可以分为三种基本类型：变极距型、变面积型和变介质型。

此外，根据传感器的结构形式，电容式传感器可以分为线位移和角位移两种类型，每一种类型又可按传感器极板形状分成平板和圆柱形。

电容式传感器的检测方法及测试原理电容式传感器一般是将被测量的变化量转换为电容量的变化。

目前，基于这种原理的各种类型的传感器已在测量加速度、液位、几何孔径等方面得到了广泛的应用。

但以电容为变化量的传感器（尤其是MEMS传感器），其电容变化范同往往只有几个pF，甚至几个fF。

这便对电容检测的精度提出了很高的要求，尤其是在传感器的研发过程中，往往需要极高精度的电容检测设备对传感器进行测试与调校。

但是一直以来国内外都缺乏能够对微小电容进行实时检测的专用仪器，普遍的做法是针对所研发的传感器自行设计、制做专门的电容检测电路，这无疑增加了传感器设计的难度与工作量。

针对这一问题，我们设计了通用的电容式传感器检测系统。

该系统能够对微小电容进行实时检测，并可以通过上位机实现实时显示、存储等功能。

1 总体设计电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量等。

从技术难度、测量精度等多方面考虑，本系统采用集成电容检测芯片来完成对电容式传感器的检测。

系统结构框图如图1所示。

电容检测芯片选用Irvine Sensor公司的MS3110。

MS3110将电容量转换为电压量输出（量程为0～10 pF）。

单片机MSP430F149集成的12位A／D转换器对输出电压进行采样，并通过I／O端口对MS3110内部寄存器进行设置。

数据经采样后通过串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。

上位机由普通微机构成。

2 系统硬件设计2．1 MS3110简介及寄存器设置MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。

它采用CMOS工艺，工作电压为+5 V，测量灵敏度为，集成的补偿电容等参数均可以通过寄存器控制。

其基本测量原理为：对被测电容与参考电容同时以相反时序充放电，通过电流积分、低通滤波、放大等将被测电容与参考电容差值转换为电压输出。

94第5章电容式传感器(知识点)知识点1电容式传感器概述电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。

电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度，以及压力、差压、液面（料位或物位）、成份含量等的测量。

知识点2电容式传感器的结构电容式传感器的常见结构包括平板状和圆筒状，简称平板电容器或圆筒电容器。

平板电容式传感器的结构如图5.1所示。

在不考虑边缘效应的情况下，其电容量的计算公式为：0r AA C d dεεε⋅＝＝（5.1）式中：A －两平行板所覆盖的面积ε－电容极板间介质的介电常数0ε－自由空间（真空）介电常数（等于8.854×10-12F m ）r ε－极板间介质相对介电常数d－两平行板间的距离。

图5.1平板电容式传感器的结构由式（5.1）可见，当被测参数变化引起A 、r ε或d 变化时，将导致平板电容式传感器的电容量C 随之发生变化。

在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。

因此，平板电容式传感器可分为三种：变极板覆盖面积的变面积型、变介质介电常数的变介质型和变极板间距离的变极距型。

95圆筒电容式传感器的结构如图5.2所示。

在不考虑边缘效应的情况下，其电容量的计算公式为：02ln r lC R rπεε=（5.2）式中：l －内外极板所覆盖的高度R －外极板的半径r －内极板的半径0ε－自由空间（真空）介电常数（等于8.854×10-12F m ）r ε－极板间介质的相对介电常数图5.2圆筒电容式传感器的结构由式（5.2）可见，当被测参数变化引起r ε或l 变化时，将导致圆筒电容式传感器的电容量C 随之发生变化。

在实际使用中，通常保持其中一个参数不变，而改变另一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。

因此，圆筒电容式传感器可分为两种：变介质介电常数的变介质型和变极板间覆盖高度的变面积型。