一文读懂电容传感器

电容式传感器具有结构简单，灵敏度高，温度稳定性好，适应性强，动态性能好等一系列优点，目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。

电容传感器

电容传感器，英文名称为capacitive type transducer，是一种将其他量的变换以电容的变化体现出来的仪器。其主要由上下两电极、绝缘体、衬底构成，在压力作用下，薄膜产生一定的形变，上 下级间距离发生变化，导致电容变化，但电容并不随极间距离的变化而线性变化，其还需测量电路对输出电容进行一定的非线性补偿。

电容传感器的分类

电容传感器按传感器类型分：

触摸传感器：包括显示器件和输入器件

运动传感器：包括加速度计、陀螺仪和磁传感器

位置传感器：包括位移传感器和接近传感器

其他传感器：包括压力传感器、位移传感器、液位传感器

电容传感器按原理分：

电容式传感器一般由两个平行电极构成，在其两个电极之间以空气作为介质，在不考虑边缘效应的前提下，其电容可表示为C=εS/d，其中，ε表示两电极间 介质(即空气)的介电常数，S表示两电极之间相互覆盖的面积，d表示两电极间的距离，电容受这三个参数影响，任意一参数的改变就会使得电容得以改变。

因 此，电容传感器分为介质变化型(ε的变化因此C的变化)、面积变化型(S的变化因此C的变化)和极距变化型(d的变化因此C的变化)三种。

电容传感器的原理

一、变化面积式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。

变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。

二、变化极距式电容传感器

当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。

a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系

从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使d0小一些为好，但行程变小（动静极板接触）。

三、变化介电常数式

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。

电容传感器的特点

电容变换器需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小， 测量要有较高的分辨率，其他传感器很难做到高分辨率要求， 而有的电容测微仪分辨率为0.01 μm， 最大量程为100±5 μm，因此一般采用电容式传感器进行检测比较适宜， 这类传感器具有以下 突出优点：

(1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小，输入能量也很低。

电容式传感器因带电极板间静电引力极小(约几个10-5N)，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常髙，能感受0.001μm甚至更小的位移。

(2)温度稳定性好。

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， 又因本身发热极小，对稳定性影响甚微。

(3)结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。

电容式传感器结构简单，易于制造，可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。

(4)动态响应好。

由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，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，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。

(5)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、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，可以减小工作表面粗糙等对测量的影响.

电容式触摸传感器

消费电子产品如多点触摸屏、触摸板、滑动条、电视遥控、智能手机、多媒体播放器、平板电脑、信息亭和游戏机等更多地采用了电容式触摸传感器，成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案。

对于典型的电容式传感器，规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加，来传感手指的触摸将变得越来越困难。伴随着覆盖层厚度的增加，系统调整过程将必须从“科学”跨越到“精益求精”。

手指电容

所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质（一种有损电介质）。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。

简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。

把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容用CP来表示。

关于电容式传感器的一个常见的误解是：为了使系统正常工作，手指必须接地。实际上，手指被传感的原因在于它带有电荷，而这与其是否悬空或接地完全无关。

从汽车领域、制造业、消费电子到医疗保健等各个行业对电容式位置传感器的需求量在持续增长。与机械式开关相比，基于电容的触摸传感器的主要优点是耐用性好，不易损坏，可以长期使用。混合信号技术的近期发展，不仅使得触摸式传感器的成本在各种消费类产品中降到了具有成本效益的水平，而且还提高了检测电路的灵敏度和可靠性（因为增加了覆盖层的厚度和耐用性）。电容式触摸传感器成为机械式开关元件的一种实用型替代方案。

审核编辑：汤梓红