内容发布更新时间 : 2024/6/3 18:47:00星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

由上述可知，可以通过提高灵敏度和减小非线性误差的方法来改善电容式传感器的性能。但是影响电容式传感器的因素很多，温度、电容电场边缘效应和寄生或分布电容等等都会对电容式传感器产生影响。我们可以采取相应的措施来减少这些影响，如增大初始电容和加装等位环，静电屏蔽，电缆驱动等。

图3 运算放大器式电路原理图

图4 差动式电容压力传感器结构图

电容式传感器的运放测量电路原理图如图1-3所示，图中Cx 为电容式传感器电容；Ui 是交流电源电压;Uo 是输出信号电压; Σ是虚地点。（传感器为平板电容，Cx=εS/d）由运算放大器工作原理可得

d S C U U i

o ε -=

此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d 成线性关系。

电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。

现以电容压力传感器为例说明其应用。如图1-4中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

凹形玻璃 膜片 C

1.2电容式传感器的特点 电容式传感器具体特点如下： (1结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造，精度高，可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差。 (2动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下

工作，特适合于动态测量；可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数、如振动等。 (3分辨率高

由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。

(4温度稳定性好

电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。

(5可实现非接触测量、具有平均效应

如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源 时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电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“寄生电容”却较大，降低了传感器的 灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至0.05μm 的微小振幅 ，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器。为用于检测非导电液体的电容式传感器。它是通过将被测介质的液面高度变化

转为电容器电容量的变化，当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。

电容式传感器是基于把被测非电物理量转换为电容量的原理进行测量的，它在工业中被广泛用于压力、差压、物位、液位、振动和位移等多种参数的检测。 电容传感器有三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型，其中极距型和介电常数型电容传感器为非线性，而变面积型是线性的，在实际使用中为提高传感器的线性度和抗干扰能力，增大灵敏度，常采用差动式结构。电容传感器常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等，不同电路各有特点，适用不同参数测量的场合。

电容式湿度传感器的敏感元件为湿敏电容 ,主要材料一般为高分子聚合物 、金属氧化物. 这些材料对水分子有较强的吸附能力 , 吸附水分的多少随环境湿度而变化 . 由于水分子有较大的电偶极矩 ,吸水后材料的电容率发生变化. 电容器的电容值也就发生变化. 同样 , 把电容值的变化转变为电信号 ,就可以对湿度进行监测. 例如 , 聚苯乙烯薄膜湿敏电容. 通过等离子体法聚合的聚苯乙烯具有亲水性极性基团 . 随着环境湿度的增减, 它吸湿脱湿, 电容值也随之增减。从而得到的电信号随湿度的变化而变化。

湿敏电容一般是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、酷酸醋酸纤维等。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。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小 型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel 公司、Philips 公司、Siemens 公司等。以 Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%～99%）RH ，在55%RH时的电容量为180pF （典型值）。当相对湿度从 0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF ～202pF 。温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s 。

2. 系统设计 2.1硬件电路设计

高分子电容式湿度传感器属电路参数型传感，其输出为电容值，传感器的相对容值0C C 与相对湿度%RH成正比关系，受温度的影响较小。在应用中需将电容值转换为易于识别的电信号，考虑到功耗问题，转换电路采用低功耗的CMOS 电路，图6是转换电路及图7为其输出波形。

图6转换电路