一文讀懂電容傳感器

電容式傳感器具有結構簡單，靈敏度高，溫度穩定性好，適應性強，動態性能好等一系列優點，目前在檢測技術中不僅廣泛應用於位移、振動、角度、加速度等機械量的測量，還可用於液位、壓力、成份含量等熱工方面的測量中。

電容傳感器，英文名稱為capacitive type transducer，是一種將其他量的變換以電容的變化體現出來的儀器。其主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構成，在壓力作用下，薄膜產生一定的形變，上 下級間距離發生變化，導致電容變化，但電容並不隨極間距離的變化而線性變化，其還需測量電路對輸出電容進行一定的非線性補償。

觸摸傳感器：包括顯示器件和輸入器件

運動傳感器：包括加速度計、陀螺儀和磁傳感器

位置傳感器：包括位移傳感器和接近傳感器

其他傳感器：包括壓力傳感器、位移傳感器、液位傳感器

電容式傳感器一般由兩個平行電極構成，在其兩個電極之間以空氣作為介質，在不考慮邊緣效應的前提下，其電容可表示為C=εS/d，其中，ε表示兩電極間 介質(即空氣)的介電常數，S表示兩電極之間相互覆蓋的面積，d表示兩電極間的距離，電容受這三個參數影響，任意一參數的改變就會使得電容得以改變。

因 此，電容傳感器分為介質變化型(ε的變化因此C的變化)、面積變化型(S的變化因此C的變化)和極距變化型(d的變化因此C的變化)三種。

 

一、變化面積式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結構，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。

 

變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段範圍內是線性的，靈敏度是常數。這一類傳感器多用於檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。

 二、變化極距式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0儘量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。

a）結構示意圖      b）電容量與極板距離的關係

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使d0小一些為好，但行程變小（動靜極板接觸）。

三、變化介電常數式

因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。

電容變換器需要將所測的力學量轉換成電壓或電流後進行放大和處理。 在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化範圍極小， 測量要有較高的解析度，其他傳感器很難做到高解析度要求， 而有的電容測微儀解析度為0.01 μm， 最大量程為100±5 μm，因此一般採用電容式傳感器進行檢測比較適宜， 這類傳感器具有以下 突出優點：

(1)高阻抗、小功率,因而所需的輸入力很小，輸入能量也很低。

電容式傳感器因帶電極板間靜電引力極小(約幾個10-5N)，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常髙，能感受0.001μm甚至更小的位移。

(2)溫度穩定性好。

傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利於選擇溫度係數低的材料， 又因本身發熱極小，對穩定性影響甚微。

(3)結構簡單，適應性強，待測體是導體或半導體均可,可在惡劣環境中工作。

電容式傳感器結構簡單，易於製造，可做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中，也能對帶有磁性的工件進行測量。

(4)動態響應好。

由於極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態測量，如測量振動、瞬時壓力等。

(5)可以實現非接觸測量，具有平均效應。

例如非接觸測量迴轉軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當採用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工作表面粗糙等對測量的影響.

消費電子產品如多點觸控螢幕、觸摸板、滑動條、電視遙控、智慧型手機、多媒體播放器、平板電腦、信息亭和遊戲機等更多地採用了電容式觸摸傳感器，成為各種消費電子產品中機械式開關的一種實用、增值型替代方案。

對於典型的電容式傳感器，規定其覆蓋層的厚度為3mm或更薄。隨著覆蓋層厚度的增加，來傳感手指的觸摸將變得越來越困難。伴隨著覆蓋層厚度的增加，系統調整過程將必須從「科學」跨越到「精益求精」。

手指電容

所有電容式觸摸傳感系統的核心部分都是一組與電場相互作用的導體。在皮膚下面，人體組織中充滿了傳導電解質（一種有損電介質）。正是手指的這種導電特性，使得電容式觸摸傳感成為可能。

　　

簡單的平行板電容器具有兩個導體，其間隔著一層電介質。該系統中的大部分能量直接聚集在電容器極板之間。少許能量會洩露到電容器極板以外的空間，而由這些洩露能量所形成的電場被稱為「邊緣場」。 

把手指放在邊緣電場的附近將增加電容式傳感系統的導電錶面積。由手指所產生的額外電荷存儲容量就是已知的手指電容CF。無手指觸摸時的傳感器電容用CP來表示。

關於電容式傳感器的一個常見的誤解是：為了使系統正常工作，手指必須接地。實際上，手指被傳感的原因在於它帶有電荷，而這與其是否懸空或接地完全無關。

從汽車領域、製造業、消費電子到醫療保健等各個行業對電容式位置傳感器的需求量在持續增長。與機械式開關相比，基於電容的觸摸傳感器的主要優點是耐用性好，不易損壞，可以長期使用。混合信號技術的近期發展，不僅使得觸摸式傳感器的成本在各種消費類產品中降到了具有成本效益的水平，而且還提高了檢測電路的靈敏度和可靠性（因為增加了覆蓋層的厚度和耐用性）。電容式觸摸傳感器成為機械式開關元件的一種實用型替代方案。

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製造業的未來是智能化，智能化的基礎就是傳感器；網際網路的方向是物聯網，物聯網的基石也是傳感器；

 

《傳感器技術》彙編了一套各種傳感器的基礎知識，介紹了各種傳感器的原理。

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