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序论：在您撰写电容式传感器时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
关键词：电容；极板；电介质
中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度发达的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为社会发展的必然趋势，而它们的共同要求是必须建立在强大的信息工业基础上。人们只有从外界获取大量准确、可靠的信息，再经过一系列的科学分析、处理、加工，才能认识和掌握自然界中的各种现象及其相关发展变化规律，进而促成科学技术的发展。现代信息技术的三大基础是信息采集，信息传输和信息处理，而信息采集用到的便是传感器技术。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节。
传感器，Transducer or Sensor，是一种能感受被测量并按一定的规律转换成有用（与之有对应关系的且易于处理和控制）输出信号的器件或装置，它由三部分组成：敏感元件、转换元件和测量电路。传感器的分类方式有多种，其中按照工作原理分类，可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器、热敏式传感器。而这里要论述的是电容式传感器。
电容式传感器是一种把非电物理量转换成与之有确定对应关系的电容量，再通过测量电路转换成电压（或电流）信号的一种装置。它在非电量检测中应用十分广泛。
电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、动态响应好、可实现非接触测量等优点；但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来了一定的局限性。随着材料、工艺、电子集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到了发扬，而缺点也在不断的克服中，电容式传感器逐渐成为高灵敏度、高精度的传感器。
一、电容式传感器的工作原理
电容式传感器实质是一种有可变参数的平行板电容器。平行板电容器是由两块相距很近的平行金属板，中间夹上一层绝缘物质构成。其中这两块金属板称为电容器的极板，绝缘物质称为电介质。电容器的电容量与两极板间介质的介电常数、两极板的相对覆盖面积，两极板间距离有关。这三个参数的改变均使电容C发生变化。因此可以固定其中两个参数不变，而使另外一个参数改变。如果变化的参数与被测量之间存在一定的函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容的变化反映出来。由此，可以把电容式传感器分为三种类型：
1.变面积式电容传感器――两极板的相对覆盖面积变化，介电常数、极板间距离不变。
2.变极距式电容传感器――极板间距离变化，介电常数、极板的相对覆盖面积不变。
3.变介电常数式电容传感器――介电常数变化，极板的相对覆盖面积、极板间距离不变。
二、电容式传感器的测量电路
电容式传感器的测量电路主要是把电容转换为电压（或电流）输出，常用的测量电路有：普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。
三、电容式传感器在应用中应注意的问题
（一）温度的影响
物质有热胀冷缩的特性，电容器也不例外，当环境温度改变时，电容式传感器的各部件的几何尺寸和相对位置将发生变化，由于电容器因为极板间距很小而对结构尺寸的变化特别敏感。此外电介质的介电常数也会因为温度的变化而发生改变。而要减小温度对测量结果的影响，可采取以下方式：
（1）在设计电容式传感器时，选择合理的极板间距。
（2）在制造电容式传感器时，选用温度膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料及电介质。
（3）测量电路采用差动对称结构。
（二）电容电场的边缘效应
所谓电容电场的边缘效应指的是在极板的边缘附近，电场分布是不均匀的，这就相当于传感器并联了一个附加电容，导致传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了减小边缘效应对测量结果的影响，可采取以下措施：
（1）在制造电容器时，选择合理的初始电容量。
（2）加装等位环。具体做法为：在极板A的同一平面内，加一个同心环面G。A和G在电气上相互绝缘，二者之间的间隙越小越好。使用时必须保持A和G等电位，故而称G为等位环。这样可使极板边缘处的电场接近匀强电场了。
（三）寄生电容的影响
任何两个彼此绝缘的导体均可构成电容器。电容式传感器除了两个极板间的电容外，还可以与周围导体产生电容联系。这种电容称为寄生电容。有些电容式传感器本身电容很小，那么寄生电容就会使传感器电容量发生明显改变。而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。
为了克服寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳内，并将壳体良好接地。同时，电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套也要良好接地。
四、电容式传感器应用举例
（一）电容式接近开关
测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断，接近开关的检测物体，并不限于是金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。
（二）电容式键盘
常用的键盘有两种：机械按键和电容按键两种。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改变，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，磨损率小。
（三）电容式指纹传感器
电容式指纹传感器有单触型和划擦型两种，是目前最新型的固态指纹传感器，它们都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集的。当指纹中的凸起部分置于传感器电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。
（四）电容式听诊器
医学上常用的电容式听诊器是一种单电容式压力传感器，一个极板在听诊器的内部，另一极板为听诊器的膜片。当绷紧的膜片受声压作用，极板间距发生变化，从而使电容器的电容发生变化，电容的变化与声压的大小在一定范围内呈线性关系。
参考文献：
关键词：电容；传感器；转换；测量
在生产科研活动中，经常要对温度、压力等非电量进行测量，使得现代传感器技术有了飞速的发展。电容式传感器的检测元件可将被测非电量变换为电容量，然后通过对电容值的测量得到相应的非电量的值。由此可见对电容值进行测量是有实际意义的。在数字化测量技术中，为实现对电容所测值进行数字显示，通常是将被测电容Cx先转换成与其成正比的直流电压信号（称C/U转换）或时间信号（称C/t转换）。这里介绍一些具体的转换方法，并详细讨论一个典型的C/U转换电路。
1、测量电容的几种转换方法
⑴ 充电法测电容
图1是这种方法的原理图。集成运放反向输入端所加的基准电压Ur经电阻R对被测电容Cx进行充电，当输出电压Uo达到预先设定的额定值时就停止充电。在Ur和R为定值的情况下，显然充电时间t的长短与Cx成正比。由图1可写出其关系式：
只要测出时间t的大小，就可得知Cx的值。利用这种C/t的转换方法测电容，其可测范围为10μf-999.9μf。
⑵ 充放电法测电容
图2是这种方法的原理图之一，它由窗口比较器对电容的充放电进行控制。基准Ur先对Cx进行充电，当两端电压达到额定值时就对地放电，当电容两端电压降低到一个额定值时再次充电。Cx如此反复的充放电，就形成一个周期为T的震荡电压波形，T值与Cx成正比，因此通过测量时间T的大小就可得知Cx的值。这种通过C/t转换测量电容若配上单片机电容量的分辩率可达（0.5-1）×10-3乘以电容满度值，可测范围为0-200μF。
和上述方法相似的另一种测量方式是称为换向式的测量法，它也是先充电后放电，但放电到-Ur为止通过测量放电的持续时间Td得知Cx的大小，这种方法的优点是对充电电源及放大器参数要求不严格，测量误差小，分辨力可达0.1pF，能满足电容传感器的要求。
⑶ 脉宽调制法测电容
图3是这种方法的原理图。它是在如图所示的单稳态触发器的触发端输入一个脉宽为tw，周期为T的矩形波，在阈值为TH加被测电容Cx。通过Cx充放电在输出端得到一个周期仍为T，但脉宽tw即占空比q=tw/T随Cx成比例变化的矩形波（所以称为脉宽调制）。如果能设法测出tw的值，则Cx也可得，这显然也属于用C/t转换法测电容。由于q随C/x改变是输出的矩形波电压平均值Uo值随之而变，即表明Cx与Uo成正比，所以只要能Uo并测出它的数值，就可以得出Cx的值，显然这属于通过C/U转换测电容。脉宽调制法测电容的范围为0-20μF，最高分辨别率为1μF，它的缺点是测量前都要手动调零，从而延长了测量时间。
⑷ 容抗法测电容
图4是这种方法的原理电路图。运放处于线性工作，Ui是幅度及频率fo均恒定的正弦测试信号。电容中通过正弦交流信号时，其容抗为Xc=1/（2πfoCx），当fo恒定时，Xc与Cx成反比。
2、按容抗法实现的C/U转换电路的设计与分析
根据容抗法测量原理，为实现C/U转换，必须有正弦信号发生器，C/ACU转换电路，AC/DC转换电路，滤波器及辅助电路等。
由集成运放N1，电阻R1-R5和C1-C2组成RC桥式振荡器，其中C1R1和C2R2组成RC串并联网络，R3R4R5组成负反馈网络，通过调整R3R4R5 的值使略大于3满足起振的条件，即R4+R5>2R3。运放N2是一级反向输入的缓冲放大器，其电压增益为A = -（R7+RP1）/R6其中RP1为校准电位器，调节RP1可改变N2的电压增益。由运放N3、电阻RS和电容Cx组成测量电容的主电路，其功能是实现C/ACU的转换。由运放N4、电阻R9- R11和电容C3- C4组成二阶有源带通滤波器，其中心频率fo = 400HZ因此有源带通滤波器只允许400HZ信号通过，这样就得到一个纯正的400HZ的正弦波。由集成运放N5、二极管VD3-VD5电阻R13- R16和，电位器RP2和电容C5- C8组成精密整流电路，电路中的R12是N5的同向端输入电阻，R13、 R14为负反馈电阻可将N5偏置在线性放大区并控制运放的增益。
3、电容式传感器的应用
电容式传感器的检测元件将被测非电量变换为电容量变化后，用测量线路（C/U转换电路）把电容容量的变化变换为电压，再通过电压与电容的关系得出非电量的值。可应用在测气体的浓度、油箱油量、导电液体液位等等。
这种电容式转换电路具有线性度好、准确度高、电路简单、成本小、功耗低等特点可应用于一些小型、便携式装置中。例如数字万用表就是利用容抗法实现C/U转换输出平均值电压再配以高分辩率的液晶A/D转换器把模拟量转换成数字量来测量电容的。
参考文献：
[1]沙占友等.数字万用表应用技巧 .北京：国防工业出版社，1997
关键词：电容式传感器 应用 研究
1、电容式传感器的结构特点
电容式传感器的优点：电容式传感器与传统的电感式、电阻式传感器相比具有结构简单，测量范围大，灵敏度高，动态响应快、非接触测量等优点，并能在高温，辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。首先，电容式传感器结构相对简单，因此比较容易投入生产。适应性好强，可大可小，从而可以满足不同需求的测量。用于制作电容式传感器的金属极板材料有可以有多种选择：金、银、铜、黄铜、青铜、铅等，选择范围广，可见适应性比较强。其次，电容式传感器具有动态响应好，分辨率高的特点。由于在极板间的静电引力小，作用能量值也相应降低，能活动的地方可以做的很小很薄，重量轻，因此电容式传感器的固有频率会随之升高，动态响应时间变短，在几兆赫的频率下即可工作，因此，此电容器特别适用于动态测量。又由于需要的输入的能量低，所以即便只是测量极小的压力、力和加速度，也可以做到很灵敏，很精确。电容式传感器在一般情况下可视为纯电容，其容抗值为XC=1/jwC，当W为常数时，容抗随电容的减小而增大。一般电容式传感器受几何尺寸的限制，其电容量是很小的，有的甚至只有几个皮法，所以，电容式传感器具有高阻抗的特点，又由于电容器本身的C很小，所以电容式传感器呈现小功率的特性。功率小，发热自然低，因此温度的变化对测量的误差很小。对于非接触测量时，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。
电容式传感器的不足之处及解决办法：电容式传感器是以静电场有关理论为基础制成的，从静电场角度考虑，影响其工作性能的因素是存在的，因此在设计和应用时，应给予考虑。首先，电容式传感器输出与输人之间的关系出现较大的非线性，这时可以采用差动式结构解决非线性大的局限性，但只能缓解，不能完全消除，这也是电容式传感器使用的局限性。因其电容小，所以负载能力较差，为了提高工作电容值，可以在极板间加入介电常数高的绝缘材料，并减少极板间的间距来间接提高提高电容数值；因其电容值的偏低，所以对后续放大器要求很高，这时可以采用提高电源频率的方法降低容抗值，采用高输入阻抗运放作放大器，以减小在放大环节的信号衰减。采用带通或选频放大技术，对信号频率进行放大而滤去低频信号，采用屏蔽，将传感器和测量电路装在屏蔽壳体中，减少寄生电容和外界干扰的影响，减小极板厚度，增加极板宽度，以削弱极板的边缘效应和非线性误差。
2、电容式传感器的工作原理
电容式传感器实际的基本包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板（PCB）层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和尽缘体。当有物体靠近时，电极的电场就会发生改变。从而感应出物体的位移变化量。 在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。此外，在机械制造技术方面，从小批量生产到连续程序控制.从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备.都需要大量的压力传感器。为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转，对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高.测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构；而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构.对高压和低压两例的接触溶液膜加压后，通过密封液加到感压膜上，感压膜（可变电极）接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置，感压膜的位移，使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差，这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20mADc的输出信号。以加速度传感器是根据压电效应[1]。
3、电容式压力传感器的应用举例
电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm[2]。
（1）电容式测厚仪： 测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。
（2）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。
（3）电容式压力传感器：电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力，当液体或气体压力作用于弹性膜片，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。目前，电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。
（4）电容式测微仪 高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。电容式测微仪整机线路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流电路，测振电路和高稳定度稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽，其线路地端和屏蔽盒相连，精密整流电路接地。
（5）电容式加速度传感器 加速度传感器是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平，走下坡，还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面.
4、结束语
电容式传感器是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比，具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点，在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用。电容式传感器本身就是电容器，在被测量的作用下，将被测量转化成相应的电容变化量。因此，在设计及应用时要根据传感器和被测量间函数关系的一些参数和所采用的介质以及工作条件等来确定采用何种工作方式、结构形式。结构元件的材料以及传感器输出信号的转换原理等。
电容式传感器应用领域主要是压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量，量测液准、湿度、以及物质成分等。
参考文献：
[1]孙海峰；崔翔；齐磊；；基于黑箱理论与传统等效电路的无源元件建模方法[J]；中国电机工程学报；2010年06期。
[2]蔡利民；孔力；；圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[J]；分析仪器；2009年01期。
基金项目：
高职院校民族传统体育文化传播的创新研究（GDGZ12Y084）
因为混合信号ICT艺得到广泛的采用，这种技术允许芯片设计师优化芯片的模拟和数字子系统，以构建具有前所未有的灵敏度和耐用性的电容式传感器，而且成本是机械式开关所不能比拟的。
如何工作
电容式传感器基本上可以分成三类：电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移(QT)器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波，然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上，并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候，接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号，可能获得一个直流电压，这个电压随电容的改变而变化；将这个电压施加在阈值检测器上，即可以产生触摸／无触摸的信号。
弛张振荡器使用了一个电极盘，其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到电极线，电极上的电压随时间线性增加。该电压提供给比较器一个输入，而比较器的输出连接到一个与电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时，比较器改变状态，实现开关动作一对定时电容放电，打开开关，这个动作将周期性的重复下去。其结果是，比较器的输出是脉冲串，其频率取决于总的定时电容的值。传感器根据不同的频率改变来报告触摸／无触摸状态。
QT器件利用了一种称为电荷保持的物理原理。举例来说，开关在一个短时间内施加一个电压到感应电极上对其充电，之后开关断开，第二个开关再将电极上的电荷释放到更大的一个采样电容中。人手指的触摸增大了电极的电容，导致传输到采样电容上的电荷增加，采样电容因此改变，据此就能得出检测结果。
QT器件在突发模式采样之后即进行数字信号处理，这种方法能提供比竞争方案更高的动态范围和更低的功耗，而自动校准例程可以补偿因为环境条件改变带来的漂移。更重要的是，这种方法足够灵敏，在电流透过厚的面板时不需要一个参考地连接，因此适合电池供电的设备。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用这种方法。
应用实例
QT芯片出现在一系列具有挑战性的应用中，如微波炉和炉灶面控制。它在这些应用中必须承受很高的湿度、污染挑战。而便携式电子产品也经常面对这种情况，它们所处的环境经常变化，因此QT传感器也非常适合这种应用。QT传感器在干扰下的高电阻对于移动设备来说至关重要，因为它们附近经常有很强的辐射源，如：PC、手机等。
因为这个原因，QT芯片越来越多地在便携式设备中出现。很多领先的亚洲OEM厂商都采用了这种技术，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM一811 0闪存播放器中就采用了QTl080，而Microstar在其Mega Player536 MP3播放器中采用了QTll01。这些芯片可以工作在2．8―5．5V电源电压下，吸收的电流大约为40 L1 A，专门针对移动电子产品进行了优化，采用了5mm x5mm x 0．8mm QFN封装，这种封装是空间有限的手机和遥控设备所必需的。QTl 0 8 0支持8个独立的按键通道，QTll01支持10个通道。两个芯片都包括邻近按键抑制(AKSTM)功能，可以确保芯片正确地识别手指的位置。这个概念很简单，通过比较邻近按键的信号电平来确定最大值，这样就能确定“真正的”手指位置。设计者可以自行选择是否启用AKS功能。QTl080利用一个硬件状态线连接每个输入通道，而QTll01通过一个串行连接输出。像所有的QT芯片一样，这两种方法都利用扩谱搜索自动校准，使噪声抑制最大化。
一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键，而专用的QT系列芯片只用三个分辨率为7位(128点)的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。例如QT511(该芯片的主要目标应用也是便携式电子产品)使用三个感应通道来驱动通用电气公司的一位发明家于1978年设计的电极图形，可返回一个128点的结果。
其他可能性
很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测，与多层电阻式技术相比，对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面，面板的配置由软件来调配，这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能，用户可从网络服务器下载规格，或者自己运行一个配置程序。
关键词：电容式传感器；非线性误差；位移
引言
电容传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感器，具有结构简单，动态响应好，灵敏度高，能测量微小变化等优点。广泛应用于位移、速度、加速度等机械量精密测量。在实现运料车辆寻轨运行至指定位置，进行货料称重并完成卸载储存的智能化仓储管理系统中，利用电容式位移传感器实现位移检测，保障小车能够准确停靠，其调理电路的设计至关重要，本文对此进行了研究。
1智能仓储管理系统原理
智能化仓储管理系统采用单片机控制，结合应变片传感器、电容传感器、A/D转换模块、H桥PWM输出模块、放大电路等，构成运料小车，其原理框图如图1所示。图1中，应变片传感器完成称重功能，电容传感器检测位移，确定小车停靠位置。
2电容传感器信号调理电路设计
在本电容传感器信号调理电路设计中采用差动式电容传感器，调理电路设计中采用二极管不平衡环形电路，差动输出的电容量在调理电路中分别是Cx1和Cx2，其调理电路如图2所示。电容式传感器调理电路由与非门组成的多谐振荡器、LM324构成的放大电路以及二极管不平衡环形电路构成。图2中，U1A和U1B两个与非门之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在电压传输特性的转折区，这时，两个反相器都工作在放大区。由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，可产生对称的方波。改变R和C的值，可以改变输出振荡频率。方波经过LM324运放放大后，送给二极管不平衡环形电路。二极管不平衡环形电路中的Cx1和Cx2为电容传感器的两个差动输出的电容量，位移变化时，电容量发生变化。电容量的变化使得输出端电压含有直流分量，直流分量经过低通滤波后在输出端得到不同极性的直流电压。在系统中该直流电压大小对应位移的变化，从而实现位移的检测。二极管不平衡环形电路的设计如图3所示。图3中，Cx1和Cx2为差动式电容传感器的两个电容量，D4~D7为特性相同的4个二极管。与非门组成的多谐振荡器输出的方波经过放大后再经C4，L1隔离直流和低频干扰信号，在MO端的电压uMO为正、负半周对称的方波。在uMO正半周时，一路经D4对Cx1充电，另一路经D5对Cx2充电。在uMO负半周时，一路经D6对Cx2充电，另一路经D7对Cx1充电。若初始状态下Cx1=Cx2时，C5两端的电压uC5是对称的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是对称的矩形波，没有直流分量。当Cx1≠Cx2时，C5两端的uC5为正负半周不对称的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量经过L2和C6低通滤波后，在输出端得到不同极性的直流电压Uo。
3电容式传感器测位移实验
搭建电容式位移传感器调理电路的测试平台，随着位移的变化电容传感器电容量发生变化，从而调理电路输出电压UO发生变化，经过多次实验得到位移—输出电压的几组数据，如表1所示；对得到的数据计算平均值，结果如表2所示。采用端点直线法，以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线，两端误差为零，中间大。取端点（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.
4结论
针对电容式位移传感器设计的调理电路进行试验平台搭建和数据分析，采用端点直线法进行拟合计算出非线性误差仅为±0.27%，非线性误差很小，设计的调理电路在实际应用中有很大的实用价值，能够准确的测量微小变化的位移。
参考文献：
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【关键词】电容式压力传感器；误差；干扰
0.概述
我们所处的时代是信息时代，信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现。传感器越来越广泛地应用于航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工等技术领域。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。压力传感器是目前所有传感器种类来说，是使用最多的传感器，它的市场占有量也不不可估量的，那么它的各项技术也得根据市场需要，进行不断的改进和完善，以适应各个领域越来越苛刻的环境。
1.电容式压力传感器工作原理及其数学模型
1.1结构介绍
电容式压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器即敏感元件。敏感元件是由隔离膜片、电容固定极板、测量膜片、灌充液组成，以测量膜片为中心线轴对称，测量膜片与两侧的金属模构成一对相等的平行板电容。如图1所示。
图1 敏感元件结构图
1.2工作原理
当被侧压力或压力差作用于膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电量一个增大、一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力差相对应的电流或电压的变化。
图2 电容式压力传感器工作原理图
1.3压力—电容转换
如图3所示，被测压力通过高压侧隔离膜片，加到灌充液，液体流过瓷心孔进入腔室，将压力加到测量膜片上，膜片受力后发生位移，测量膜面与两侧构成的电容值随之变化，低压侧电容增加，高压侧电容减少。
图3 平行板电容器
厚膜片位移与差压转换关系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系数；R：膜片周边半径；d：膜片中心处位移
t：膜片厚度；P：被测差压；E：膜片材料的杨氏弹性恒量
薄膜片具有初始张紧，其位移与差压转换公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差压作用于室时，中心膜片的位移 与差压成正比。
1.4位移—电容转换
由于固定极板凹面直径很大，可视为平行板电容器，平行板电容C=。
ε为平行板中间介质的介电常数；
A平行板电容的面积；
d平行板电容两端间距。
PH：高压室所受压力；PL：高压室所受压力。
当两边压力相等时即PH=PL，初始电容量C=C=K
当PH>PL，测量膜片位移为d，此时低压侧的电容为C=K（d0-d），高压侧电容为CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改变结构系数K1即可实现不同量程的测量，将位移量转换成
的变化。
1.5电容比—电流的转换
解调器将流过CL、CH的交流电流解调成直流电流IL、IH，原理图如图4
图4
2.电容式压力传感器的性能
2.1静态特性
当被测量X不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量Y与输入量X之间的函数关系。因为这时输入量与输出量都和时间无关，所以他们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量做横坐标把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.2动态特性
当被测量X随时间变化，而且随时间的变化程度与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度相比不是缓慢的变化程度时，传感器的输出量y与输入量X之间的函数关系。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3.影响电容式压力传感器精度的因素
电容式压力传感器直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。压力传感器如果说它的抗干扰能力不过硬，那么在它的价值上，也是个相差很大的，因为的应用范围受了很大的限制，所以市场前景也是得不到扩大的，提高抗体干扰性是不容忽视的问题。
3.1温度影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
3.2静压影响
金属电容两边受压，压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。从图5可以看出传感器内部的压力从中心向四周方向分布，X方向的应力得到全部抵消，但是Y方向的应力q全部加在传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因，越靠近中心结构越单薄，传感器的抗压能力越差，尤其是中心膜片处结构强度最为薄弱。在高静压下，中心点处产生一个最大的扰度。在高静压下中心膜片向外的张紧力增加，膜片的紧绷程度相对工作静压为零时得到加强，并且工作静压越大其紧绷程度越大，中心膜片随差压的位移变小，产生误差。并且静压影响绝对误差，工作静压越大其量程的静压误差越大。至于零位的静压误差，则表现为方向的不确定，这主要由焊接应力和传感器的个性相关，不具有规律性。通过提高制造加工精度来减小静压误差。
图5 应力分布和扰度变化图
3.3边缘效应的影响
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
3.4寄生电容的影响
电容式压力传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响可缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。 [科]
【参考文献】
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关键词：电容、传感器、负载
Abstract: This paper describes the capacitive sensor has good temperature stability, simple structure, good dynamic response, non-contact measurement can be achieved, with the average effect of the advantages of high output impedance, load capacity is poor, and shortcomings of the parasitic capacitance of the film, and Problems in the application.
Keywords: capacitors, sensors, load
1.电容式传感器的特点
1）优点
（1）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，有利于选择温度系统低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，供电后产生热量：电感式传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。
（2）结构简单。电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强车船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；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。
（3）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10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小、很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小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。
（4）可以实现非接触测量，具有平均效应。例如，非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减少工作表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除了上上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所以输入和输入能量极小，因而可测极低的压力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率高，能敏感0.01µm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构连接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。
2）缺点
（1）输出阻抗高，负载能力差。电容式传感器的容量受共电极的几何尺寸等限制，一般只有几pF到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106―108Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。阻抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。不采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。
（2）。电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其寝电容量都很小（几pF到几十pF），而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1―2m导线可达800pF），电子线路的杂散电容，以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（职电缆电容）常常的随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。
随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬，而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。
2.应用中存在的问题
1）边缘效应以上分析各种电容式传感器进还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘疚的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器。
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等曜，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小及板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。
2）静电引力 电容式传感器两个极板间因存在静电场，因而有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件的情况下，必须考虑静电引力造成的测量误差。
3）温度影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面。
（1）温度对结构尺寸的影响：电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙相对变化，从而产生很大的温度误差。在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关，可以满足温度误差补偿要求。
（2）温度对介质的影响：温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气数温度系数看似为零：页岩某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如，煤油的介电常数的温度可达0.07%/°C；若环境温度变化加减50°C，则将带来7%的温度的误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。
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