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2024-01-31

电容式传感器原理和其应用

目

录

CONTENCT

电容式传感器基本原理

电容式传感器测量电路

电容式传感器性能指标评价方法

电容式传感器应用领域举例

电容式传感器发展趋势与挑战

实验环节：电容式传感器性能测试实验设计

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电容式传感器基本原理

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定义

电容式传感器是一种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电容量变化的一种转换装置。

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。

变极距型

极距变化型电容传感器因电容量和极距之间的关系为非线性，在微量极距变化时近似为线性关系，因此常用于测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

变面积型

面积变化型电容传感器多用于测量角位移或较大的线位移，例如可动线圈式仪表的轴角位移、油量表和煤气表等。

变介质型

介质变化型电容传感器则常常用于测量介质的厚度、液位，还可测量电介质中的水分含量、湿度、密度、介质的介电常数等参量。

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工作原理

结构特点

电容式传感器的工作原理是当被测量（如位移、压力、尺寸等）发生变化时，将引起传感器两极板间电容量的变化，然后通过测量电路将这种变化转换成电信号输出。

电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。同时，电容传感器可以做的非常小巧，从而实现某些特殊的测量；电容式传感器与压电传感器相比，静态测量误差小，适用于静态测量。

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，又由于本身发热极小，影响稳定性甚微。

温度稳定性好

电容式传感器结构简单，易于制造和安装，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。

结构简单

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～几十个微牛顿），所以电容式传感器需要的输入能量和输入功率很小，加之它的电容量本身不会发热，因而它的动态响应特性和零点稳定性都比较好。

电容式传感器的输出阻抗很高，因而输出信号容易受到外界干扰，且输出信号的幅值较小。

电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电容、电子线路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等所谓寄生电容缺较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作很不稳定，影响测量精度。

当动极板作机械位移时，将受到静极板边缘和导电介质的限制，因此电容式传感器的分辨率较低。

输出阻抗高

寄生电容影响大

分辨率低

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电容式传感器测量电路

电容式传感器接口电路

信号调理电路

模数转换电路

将传感器输出的电容变化转换为电信号，便于后续电路处理。

对接口电路输出的电信号进行滤波、放大等处理，提高信号质量和稳定性。

将调理后的模拟信号转换为数字信号，便于数字系统处理和传输。

80%

80%

100%

采用高性能运算放大器对传感器信号进行放大，提高测量精度和灵敏度。

采用低通、高通、带通等滤波器对信号进行滤波处理，消除噪声和干扰。

对传感器输出信号进行非线性校正，提高测量线性度和准确性。

运算放大器

信号滤波技术

非线性校正技术

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屏蔽技术

接地技术

隔离技术

温度补偿技术

采用光电隔离、电磁隔离等隔离技术，切断干扰信号的传播途径。

采用单点接地、多点接地等接地方式，降低地电位差对测量的影响。

对传感器和测量电路进行电磁屏蔽，减少外部电磁场对测量的干扰。

对传感器进行温度补偿，减少温度变化对测量的影响，提高测量稳定性。

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电容式传感器性能指标评价方法

灵敏度测试

分辨率测试

抗干扰能力评估

分析传感器能够检测到的最小输入变化量，评估其分辨率性能。

测试传感器在不同干扰环境下的输出稳定性，以评估其抗干扰能力。

通过施加标准输入信号，测量传感器的输出变化量，计算灵敏度指标。

通过在不同输入信号下测量传感器的输出，绘制输入输出特性曲线，并计算线性度误差。

线性度测试

迟滞误差测试

校准与修正

在相同输入信号下，分别进行正行程和反行程测量，比较输出值的差异以评估迟滞误差。

根据测试结果对传感器进行校准，必要时采取修正措施以提高线性度和减小迟滞误差。

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重复性测试

稳定性测试

可靠性测试

失效分析

在相同条件下对同一输入信号进行多次测量，分析输出值的一致性以评估重复性。

长时间监测传感器的输出变化，分析零点漂移和量程漂移等指标以评估稳定性。

模拟实际工作环境中的恶劣条件，对传感器进行加速寿命试验和可靠性评估。

对失效的传感器进行拆解和分析，找出失效原因并提出改进措施以提高可靠性。

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电容式传感器应用领域举例

电容式传感器在位移测量中，通