電容式傳感器

摘 要：電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。

關鍵詞：電容；極板；電介質

中圖分類號：TP212.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01

在高度發達的現代社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為社會發展的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在強大的信息工業基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息，再經過一系列的科學分析、處理、加工，才能認識和掌握自然界中的各種現象及其相關發展變化規律，進而促成科學技術的發展。現代信息技術的三大基礎是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術。傳感器是信息采集系統的首要部件，是實現現代化測量和自動控制的主要環節。

傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測量并按一定的規律轉換成有用（與之有對應關系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉換元件和測量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。

電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。它在非電量檢測中應用十分廣泛。

電容式傳感器具有溫度穩定性好、結構簡單、動態響應好、可實現非接觸測量等優點；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點也給它的應用帶來了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術的發展，使電容式傳感器的優點得到了發揚，而缺點也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。

一、電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器實質是一種有可變參數的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質構成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質稱為電介質。電容器的電容量與兩極板間介質的介電常數、兩極板的相對覆蓋面積，兩極板間距離有關。這三個參數的改變均使電容C發生變化。因此可以固定其中兩個參數不變，而使另外一個參數改變。如果變化的參數與被測量之間存在一定的函數關系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：

1.變面積式電容傳感器——兩極板的相對覆蓋面積變化，介電常數、極板間距離不變。

2.變極距式電容傳感器——極板間距離變化，介電常數、極板的相對覆蓋面積不變。

3.變介電常數式電容傳感器——介電常數變化，極板的相對覆蓋面積、極板間距離不變。

二、電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器的測量電路主要是把電容轉換為電壓（或電流）輸出，常用的測量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調制電路、調頻電路。

三、電容式傳感器在應用中應注意的問題

（一）溫度的影響

物質有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當環境溫度改變時，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對位置將發生變化，由于電容器因為極板間距很小而對結構尺寸的變化特別敏感。此外電介質的介電常數也會因為溫度的變化而發生改變。而要減小溫度對測量結果的影響，可采取以下方式：

（1）在設計電容式傳感器時，選擇合理的極板間距。

（2）在制造電容式傳感器時，選用溫度膨脹系數小，幾何尺寸穩定的材料及電介質。

（3）測量電路采用差動對稱結構。

（二）電容電場的邊緣效應

所謂電容電場的邊緣效應指的是在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，這就相當于傳感器并聯了一個附加電容，導致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應對測量結果的影響，可采取以下措施：

（1）在制造電容器時，選擇合理的初始電容量。

（2）加裝等位環。具體做法為：在極板A的同一平面內，加一個同心環面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環。這樣可使極板邊緣處的電場接近勻強電場了。

（三）寄生電容的影響

任何兩個彼此絕緣的導體均可構成電容器。電容式傳感器除了兩個極板間的電容外，還可以與周圍導體產生電容聯系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會使傳感器電容量發生明顯改變。而且寄生電容極不穩定，從而導致傳感器特性的不穩定，對傳感器產生嚴重干擾。

為了克服寄生電容的影響，必須對傳感器進行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內，并將殼體良好接地。同時，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。

四、電容式傳感器應用舉例

（一）電容式接近開關

測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通和關斷，接近開關的檢測物體，并不限于是金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。

（二）電容式鍵盤

常用的鍵盤有兩種：機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的改變，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率小。

（三）電容式指紋傳感器

電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進行信息采集的。當指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進行數據采集。

（四）電容式聽診器

醫學上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個極板在聽診器的內部，另一極板為聽診器的膜片。當繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發生變化，從而使電容器的電容發生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內呈線性關系。

參考文獻：

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[2]王松林，魯高奇.電容式傳感器測量電路設計[J].產品設計與開發，2011（01）.