传感器论文

《现代测试技术》 课程考核论文

班级 学号

姓名 序号

日

电容式传感器

摘要：

随着科学技术的发展，电容测量技术也取得了很大进展，不但广泛应用于位移、角度、振动、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步应用于测量压力、声强、液位、含水量、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器所具有的特性，随着电子技术的迅速发展，特别是在集成电路方面的进步，将进一步的得到体现，而他存在的分布电容、非线性等不利也将得到克服，因此，电容式传感器在非电测量和自动检测中也得到了广泛应用。传感器是获取信息的重要手段，在现代科学发展中，扮演着越来越重要的角色。在自动控制领域中，自动化程度越高，则控制系统中队传感器的依赖性就越大，对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量变化的一种结构型传感器，它实际上就是一个具有可变参数的电容器。

关键词：电容式传感器、应用举例、优缺点、前景、总结

目录

一、电容式传感器的工作原理.................................................................................... 1 二、 电容式传感器的结构分类.............................................................................. 1

2.1变极距型电容式传感器.................................................................................. 1

2.2 变面积型电容式传感器................................................................................. 2

2.3 变介电常数型电容式传感器......................................................................... 2 三、 电容式传感器的应用...................................................................................... 2

3.1 概述................................................................................................................. 3

3.2 结构原理......................................................................................................... 3

3.3 适用范围......................................................................................................... 3

3.4 技术参数......................................................................................................... 3 四、

五、

六、

七、 电容式传感器的优缺点.................................................................................. 5 发展趋势.......................................................................................................... 5 总结.................................................................................................................. 5 参考文献.......................................................................................................... 6

一、电容式传感器的工作原理

以最简单的平行极板电容器为例说明。

平板式电容器是有两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。若在两极板间加上电压，电极上就贮存有电荷，所以电容器实际上时一种贮存电场能的元件。平板式电容器在忽略其边缘效应是的电容量可用下式表示：

Cr0A 

式中，

为介质的相对介质电常数，空气的1；

0为真空室的介电常数，08.851012(F/m)；

A为两极板间的有效覆盖面积（m2）；

为两极板间的距离（m）。

由式中可见，只要被测物理量能使式中的、A、或发生变化，则电容器的电容C就会改变。如果保持其中的两个参数不变，就可以把另一个参数的单一变化转换成电容量的变化。即可以把三个参数中的任意一个的变化转化成电容C的变化。这就是电容式传感器的基本工作原理。

二、 电容式传感器的结构分类

根据基本工作原理，电容式传感器可分为三种基本类型：即变极距（）型、变面积（A）型和变节点常数（）型。

2.1变极距型电容式传感器

极板面积和介电常数为常数、平板电容器的极间距为变量的传感器，称为变极距型电容式传感器。这种传感器可以用来测量微小位移的范围为0.01~0.1mm。

如果两极板覆盖的面积及极间介质的介电常数不变，则当极距有一微小的变化时，引起电容量的变化为

dC0A1

2d

由此可得出此传感器的灵敏度为

S

dC10A2d

由上式课看出，灵敏度S与平方成反比，极距愈小，灵敏度越高。一般通过减小初始极距0来提高灵敏度。一般电容是传感器的起始电容在20~30pF之间。极板距离在25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的。 2.2 变面积型电容式传感器

当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器为变面积式电容传感器。

这种传感器可以用来测量角位移和厘米数量级的位移。

当动板有一转角是，与定板之间相互覆盖的 面积就发生变化，因而导致电容量的变化。其覆盖面积为A=r2/2

灵敏度为S0r2式中，r为极板半径。所以电容量为C，为覆盖面积对应的中心角；22dC0r

d2=常数

变面积型电容式传感器的优点是输出和输入呈线性关系，根据结构特点，适用于较大角位移和线位移的测量。

2.3 变介电常数型电容式传感器

当极板面积和极板间距是常数，而平板电容器的介电常数为变量的传感器称为变介质式电容传感器。

这种传感器可以用来测量湿度、物位、密度。

因为各介质的介电常数不同，若在两电极间充以空气以外的其他介质，使介电常数相应变化时，电容量也随之变化。当忽略边缘效应是，电容量为0A C123r1r2r3式中，A1、2分别为被侧物体至极板间的距离；为两极板见得距离；r1、r3分别为空气的介电常数；2为被测物体的厚度；r2为被测物体的介电常数。当A和一定是，电容量的大小和被测材料的厚度及介电常数有关。若被测材料的介电常数为已知，则可测得其厚度，成为厚度仪；若被测材料的厚度已知，则可测得其介电常数，成为介电常数的测量仪。

三、 电容式传感器的应用

电子技术的发展，解决了电容式传感器的许多问题，是电容式传感器不但广泛应用于精密测量位移、角度等，还用于测量液位、压力、流量等参数。

在此，以电容式液位计为例说明电容式传感器的应用。

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。

3.1 概述

UHZ-517(518)系列磁翻柱液位计是海安县通成电器仪表厂产品。系列产品可以做到高密封、防泄漏和在高温、高压、高粘度、强腐蚀性条件下安全可靠地测量液位，全过程测量无盲区，显示醒目，读数直观，且测量范围大，配上液位报警、控制开关，可实现液位或界位的上、下限报警和控制，配上LB型液位变送器，可将液位、界位信号转换成二线制4～20mADC标准信号，实现远距离检测、指示、记录与控制。系列产品广泛用于电力、石油、化工、冶金、环保、船舶、建筑、食品等各行业生产过程中的液位测量与控制。

3.2 结构原理

液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时，液位计主导管中的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时，翻柱由白色转为红色，当液位下降时，翻柱由红色转为白色，指示器的红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。

3.3 适用范围

适合高温高压容器内液体介质的液位测量。除现场指示，还可配远传变送器、报警（控制）开关，检测功能齐全。指示新颖，读数直观、醒目，观察指示器的方向可根据用户需要改变角度。 测量范围大，不受储槽高度限制。 指示机构与被测介质完全隔离，因而密封性好，可靠性高，使用安全。 结构简单，安装方便，维护费用低。

3.4 技术参数

测量范围：150～8000mm，对中心距超过8000mm的或运输条件不允许超过长度的液位计可采用分段制造

工作压力：UHZ-517(518)C12A：最高4.0MPa

UHZ-517(518)C12B：最高6.4MPa。

UHZ-517(518)C12C：最高10.0MPa。

UHZ-517(518)C12D：最高16.0MPa。

UHZ-517(518)C12E：最高25.0MPa。

工作温度：≤420℃

精确度：±10mm

介质密度：UHZ-517(518)C12A≥500kg/m3

UHZ-517(518)C12B、C、D、E≥600kg/m3

环境振动：频率≤25Hz 振幅≤0.5mm

跟随速度：≤0.08m/s

介质粘度：≤0.4Pa.S

过程连接：

旁路侧面安装法兰：DN25，PN4.0

法兰标准：HG20592～20635-97其它法兰标准请用户注明。

材质：

旁路管：00Cr17Ni14M2(316L)

浮子：钛

翻柱：陶瓷

液位报警（控制）开关

开关类型：凸轮磁驱动开关，单刀双投，具有防震保护

触点容量：10A 250VAC

环境温度：-50～180℃

防护等级：IP65

防爆标志：隔爆型ExdIIBT1～T6

LB远传变送器

测量范围：300～8000mm

输出信号：4～20mADC二线制

电源：24VDC（15～35VDC）

精确度：±10mm

负载能力：600Ω（24VDC供电时）

环境温度：-40～80℃

防护等级：IP65

防爆标志：本安型：ExiaIICT4；隔爆型：ExdIIBT4

电气接口：M20×1.5

当前价：2680.00元/只

对于生产该产品的厂家有：成都市鸿丰自动化工程有限公司、成都立腾仪表科技有限公司、西安奥信流量测控仪表有限公司、烟台奥脉络控制工程有限公司、江苏横河（集团）自控设备有限公司、美安特自动化仪表有限公司等。

四、 电容式传感器的优缺点

优点：①受本身发热影响小；②动作响应好。能在几兆赫兹的频率下工作，具有良好的动态响应能力。固有频率高，适于动态信号的测量，而其介质损耗小，可以在较高供电频率下工作，故系统可在高频信号工作；③静态引力小；④用真空、空气或其他气体作绝缘介质时，灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工作（如高温，低温及强辐射等各种环境下）；⑤可以进行非接触式测量；⑥结构简单，适应性强。

虽然电容式传感器相对于电阻式、电感式传感器拥有很多优点，但也有不足之处。

缺点：①输出阻抗较高，带负载能力差。由于受几何尺寸限制，起始电容量小，由于带负载能力差，故其容易受外界干扰产生不稳定现象；②寄生电容影响大。寄生电容不仅降低传感器灵敏度，而且这些电容随机变化，使仪器工作不稳定，影响测量精度。③其输出是非线性的。

改进：①要提高带负载能力，就要增加其起始电容，因此可以减小其两极板间距离，并将极板设置成螺旋式，增加其正对面积，使电容器起始电容增加；②对于寄生电容，要改变其对电容器的影响，可以采用静电屏蔽措施，将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体与大地相连；另外，就是可以采取增加其本身电容的稳定性，而这可以依靠材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术的发展得益一定程度的改善；③对于改变极板距离的电容传感器，电容量和极板间距离是非线性关系，但用差动式结构可以得到一定程度的改善。

五、 发展趋势

由于传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，各国都将传感器技术列为重点的发展技术。当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。⑴利用物理现象、化雪反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术发展的重要基础工作；⑵传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展；⑶发展智能型传感器。

六、 总结

在做本次课程论文过程中，我印象最深的当属查阅了大量的资料，为了让本次的课程论文更加完善，查阅这方面的知识是相当有必要的，也是必不可少的。在查阅的同时，也加深了对相关知识的理解，巩固理论知识，也了解到一些相关行业的发展状况，科学前沿及发展前景。另外，要做好传感器的论文，就必须要

对其有一个清晰地认识，才能更好的完成。

七、 参考文献

[1] 赵志诚.仪表技术与传感器.沈阳仪表科学研究院.2009.10

[2]俞惟乐.分析测试技术与仪器.中国科学院.2010.04

[3] 孙丽萍.宋文龙.传感器原理与应用.东北林业大学出版社.2003.06

[4] 王化祥.张淑英.传感器原理及应用.天津大学出版社.2002.03

[5] 张亚凡.张洪润.传感技术.清华大学出版社.2005.04

《现代测试技术》 课程考核论文

班级 学号

姓名 序号

日

电容式传感器

摘要：

随着科学技术的发展，电容测量技术也取得了很大进展，不但广泛应用于位移、角度、振动、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步应用于测量压力、声强、液位、含水量、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器所具有的特性，随着电子技术的迅速发展，特别是在集成电路方面的进步，将进一步的得到体现，而他存在的分布电容、非线性等不利也将得到克服，因此，电容式传感器在非电测量和自动检测中也得到了广泛应用。传感器是获取信息的重要手段，在现代科学发展中，扮演着越来越重要的角色。在自动控制领域中，自动化程度越高，则控制系统中队传感器的依赖性就越大，对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量变化的一种结构型传感器，它实际上就是一个具有可变参数的电容器。

关键词：电容式传感器、应用举例、优缺点、前景、总结

目录

一、电容式传感器的工作原理.................................................................................... 1 二、 电容式传感器的结构分类.............................................................................. 1

2.1变极距型电容式传感器.................................................................................. 1

2.2 变面积型电容式传感器................................................................................. 2

2.3 变介电常数型电容式传感器......................................................................... 2 三、 电容式传感器的应用...................................................................................... 2

3.1 概述................................................................................................................. 3

3.2 结构原理......................................................................................................... 3

3.3 适用范围......................................................................................................... 3

3.4 技术参数......................................................................................................... 3 四、

五、

六、

七、 电容式传感器的优缺点.................................................................................. 5 发展趋势.......................................................................................................... 5 总结.................................................................................................................. 5 参考文献.......................................................................................................... 6

一、电容式传感器的工作原理

以最简单的平行极板电容器为例说明。

平板式电容器是有两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。若在两极板间加上电压，电极上就贮存有电荷，所以电容器实际上时一种贮存电场能的元件。平板式电容器在忽略其边缘效应是的电容量可用下式表示：

Cr0A 

式中，

为介质的相对介质电常数，空气的1；

0为真空室的介电常数，08.851012(F/m)；

A为两极板间的有效覆盖面积（m2）；

为两极板间的距离（m）。

由式中可见，只要被测物理量能使式中的、A、或发生变化，则电容器的电容C就会改变。如果保持其中的两个参数不变，就可以把另一个参数的单一变化转换成电容量的变化。即可以把三个参数中的任意一个的变化转化成电容C的变化。这就是电容式传感器的基本工作原理。

二、 电容式传感器的结构分类

根据基本工作原理，电容式传感器可分为三种基本类型：即变极距（）型、变面积（A）型和变节点常数（）型。

2.1变极距型电容式传感器

极板面积和介电常数为常数、平板电容器的极间距为变量的传感器，称为变极距型电容式传感器。这种传感器可以用来测量微小位移的范围为0.01~0.1mm。

如果两极板覆盖的面积及极间介质的介电常数不变，则当极距有一微小的变化时，引起电容量的变化为

dC0A1

2d

由此可得出此传感器的灵敏度为

S

dC10A2d

由上式课看出，灵敏度S与平方成反比，极距愈小，灵敏度越高。一般通过减小初始极距0来提高灵敏度。一般电容是传感器的起始电容在20~30pF之间。极板距离在25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的。 2.2 变面积型电容式传感器

当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器为变面积式电容传感器。

这种传感器可以用来测量角位移和厘米数量级的位移。

当动板有一转角是，与定板之间相互覆盖的 面积就发生变化，因而导致电容量的变化。其覆盖面积为A=r2/2

灵敏度为S0r2式中，r为极板半径。所以电容量为C，为覆盖面积对应的中心角；22dC0r

d2=常数

变面积型电容式传感器的优点是输出和输入呈线性关系，根据结构特点，适用于较大角位移和线位移的测量。

2.3 变介电常数型电容式传感器

当极板面积和极板间距是常数，而平板电容器的介电常数为变量的传感器称为变介质式电容传感器。

这种传感器可以用来测量湿度、物位、密度。

因为各介质的介电常数不同，若在两电极间充以空气以外的其他介质，使介电常数相应变化时，电容量也随之变化。当忽略边缘效应是，电容量为0A C123r1r2r3式中，A1、2分别为被侧物体至极板间的距离；为两极板见得距离；r1、r3分别为空气的介电常数；2为被测物体的厚度；r2为被测物体的介电常数。当A和一定是，电容量的大小和被测材料的厚度及介电常数有关。若被测材料的介电常数为已知，则可测得其厚度，成为厚度仪；若被测材料的厚度已知，则可测得其介电常数，成为介电常数的测量仪。

三、 电容式传感器的应用

电子技术的发展，解决了电容式传感器的许多问题，是电容式传感器不但广泛应用于精密测量位移、角度等，还用于测量液位、压力、流量等参数。

在此，以电容式液位计为例说明电容式传感器的应用。

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。

3.1 概述

UHZ-517(518)系列磁翻柱液位计是海安县通成电器仪表厂产品。系列产品可以做到高密封、防泄漏和在高温、高压、高粘度、强腐蚀性条件下安全可靠地测量液位，全过程测量无盲区，显示醒目，读数直观，且测量范围大，配上液位报警、控制开关，可实现液位或界位的上、下限报警和控制，配上LB型液位变送器，可将液位、界位信号转换成二线制4～20mADC标准信号，实现远距离检测、指示、记录与控制。系列产品广泛用于电力、石油、化工、冶金、环保、船舶、建筑、食品等各行业生产过程中的液位测量与控制。

3.2 结构原理

液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时，液位计主导管中的浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时，翻柱由白色转为红色，当液位下降时，翻柱由红色转为白色，指示器的红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。

3.3 适用范围

适合高温高压容器内液体介质的液位测量。除现场指示，还可配远传变送器、报警（控制）开关，检测功能齐全。指示新颖，读数直观、醒目，观察指示器的方向可根据用户需要改变角度。 测量范围大，不受储槽高度限制。 指示机构与被测介质完全隔离，因而密封性好，可靠性高，使用安全。 结构简单，安装方便，维护费用低。

3.4 技术参数

测量范围：150～8000mm，对中心距超过8000mm的或运输条件不允许超过长度的液位计可采用分段制造

工作压力：UHZ-517(518)C12A：最高4.0MPa

UHZ-517(518)C12B：最高6.4MPa。

UHZ-517(518)C12C：最高10.0MPa。

UHZ-517(518)C12D：最高16.0MPa。

UHZ-517(518)C12E：最高25.0MPa。

工作温度：≤420℃

精确度：±10mm

介质密度：UHZ-517(518)C12A≥500kg/m3

UHZ-517(518)C12B、C、D、E≥600kg/m3

环境振动：频率≤25Hz 振幅≤0.5mm

跟随速度：≤0.08m/s

介质粘度：≤0.4Pa.S

过程连接：

旁路侧面安装法兰：DN25，PN4.0

法兰标准：HG20592～20635-97其它法兰标准请用户注明。

材质：

旁路管：00Cr17Ni14M2(316L)

浮子：钛

翻柱：陶瓷

液位报警（控制）开关

开关类型：凸轮磁驱动开关，单刀双投，具有防震保护

触点容量：10A 250VAC

环境温度：-50～180℃

防护等级：IP65

防爆标志：隔爆型ExdIIBT1～T6

LB远传变送器

测量范围：300～8000mm

输出信号：4～20mADC二线制

电源：24VDC（15～35VDC）

精确度：±10mm

负载能力：600Ω（24VDC供电时）

环境温度：-40～80℃

防护等级：IP65

防爆标志：本安型：ExiaIICT4；隔爆型：ExdIIBT4

电气接口：M20×1.5

当前价：2680.00元/只

对于生产该产品的厂家有：成都市鸿丰自动化工程有限公司、成都立腾仪表科技有限公司、西安奥信流量测控仪表有限公司、烟台奥脉络控制工程有限公司、江苏横河（集团）自控设备有限公司、美安特自动化仪表有限公司等。

四、 电容式传感器的优缺点

优点：①受本身发热影响小；②动作响应好。能在几兆赫兹的频率下工作，具有良好的动态响应能力。固有频率高，适于动态信号的测量，而其介质损耗小，可以在较高供电频率下工作，故系统可在高频信号工作；③静态引力小；④用真空、空气或其他气体作绝缘介质时，灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工作（如高温，低温及强辐射等各种环境下）；⑤可以进行非接触式测量；⑥结构简单，适应性强。

虽然电容式传感器相对于电阻式、电感式传感器拥有很多优点，但也有不足之处。

缺点：①输出阻抗较高，带负载能力差。由于受几何尺寸限制，起始电容量小，由于带负载能力差，故其容易受外界干扰产生不稳定现象；②寄生电容影响大。寄生电容不仅降低传感器灵敏度，而且这些电容随机变化，使仪器工作不稳定，影响测量精度。③其输出是非线性的。

改进：①要提高带负载能力，就要增加其起始电容，因此可以减小其两极板间距离，并将极板设置成螺旋式，增加其正对面积，使电容器起始电容增加；②对于寄生电容，要改变其对电容器的影响，可以采用静电屏蔽措施，将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体与大地相连；另外，就是可以采取增加其本身电容的稳定性，而这可以依靠材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术的发展得益一定程度的改善；③对于改变极板距离的电容传感器，电容量和极板间距离是非线性关系，但用差动式结构可以得到一定程度的改善。

五、 发展趋势

由于传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，各国都将传感器技术列为重点的发展技术。当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。⑴利用物理现象、化雪反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术发展的重要基础工作；⑵传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展；⑶发展智能型传感器。

六、 总结

在做本次课程论文过程中，我印象最深的当属查阅了大量的资料，为了让本次的课程论文更加完善，查阅这方面的知识是相当有必要的，也是必不可少的。在查阅的同时，也加深了对相关知识的理解，巩固理论知识，也了解到一些相关行业的发展状况，科学前沿及发展前景。另外，要做好传感器的论文，就必须要

对其有一个清晰地认识，才能更好的完成。

七、 参考文献

[1] 赵志诚.仪表技术与传感器.沈阳仪表科学研究院.2009.10

[2]俞惟乐.分析测试技术与仪器.中国科学院.2010.04

[3] 孙丽萍.宋文龙.传感器原理与应用.东北林业大学出版社.2003.06

[4] 王化祥.张淑英.传感器原理及应用.天津大学出版社.2002.03

[5] 张亚凡.张洪润.传感技术.清华大学出版社.2005.04