电容式传感器

　　摘要：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。电容式传感器逐渐成为高灵敏度、高精度的传感器。

　　关键词：电容；极板；电介质

　　作者：寻艳芳

　　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，TransducerorSensor，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。