电容式传感器的应用

电容式传感器的应用

电容式传感器的应用

与电阻式、电感式传感器相比，电容式传感器具有以下优点：

1. 测量范围大：相对变化量可达100%。
2. 灵敏度高：可达10-7。
3. 动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。
4. 机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。
5. 结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。

然而，电容式传感器也存在一些不足之处：

1. 寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。
2. 当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。

由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。

电容式传感器广泛应用于压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。

1. 电容式差压变送器

电容式差压变送器主要讨论球、平面型差动电容压力传感器。其工作原理如下：

当高压侧进气口（PH）和低压侧进气口（PL）的压力相等时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PH>PL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。CH相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。

通过脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0与差压成正比。

2. 电容式测微仪

电容式测微仪是一种非接触式精确测量位移和振动幅度的传感器。在最大量程为(100±5)um时，最小检测量可达0.01um。通过运算法测量电路，输出电压和位移成线性关系。

3. 电容式液位计

电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。它不仅能测量导电介质和非导电介质，还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。其基本工作原理是通过改变电容器的介质来实现液位测量。

对于导电介质，通常采用单电极电容液位计，内电极作为电容器的内电极，导电液体和容器壁构成电容器的外电极。对于非导电介质，则采用同轴双层电极电容式液位计。

在特殊场合，如大直径容器或介电系数较小的介质，通常只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极。在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容。在测极低温度下的液态气体时，可采用同轴多层电极结构，以增加灵敏度。

电容式液位计的检测电路通常采用环形二极管充放电法，通过高频方波信号源对被测电容进行充放电，输出一个与被测电容成正比的微安级电流。

4. 湿度测量

湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

5. 电容式键盘

电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。

6. 电容式传声器

电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。常见的类型有驻极体电容传声器和大膜片电容传声器。

7. 电容式指纹传感器

目前的指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。其中，硅电容指纹图像传感器最为常见，它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极，传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极的距离不同，可以产生不同的电容变化，从而获得指纹图像。