電容式傳感器 2

電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的應(yīng)用2.2.3電容式傳感器一.電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

S——兩平行板所覆蓋的面積；

d——兩平行板之間的距離。

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨高、可非接觸測(cè)量可以在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作

分類示意圖：

c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式變極距型a、e變面積型b、c、d、f、g、h變介電常數(shù)i、j、k、l1變極距型電容傳感器當(dāng)傳感器的εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，可知其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有若Δd/d0<<1時(shí)，1-(Δd/d0)2≈1，則

此時(shí)C與Δd近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。另外，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),此時(shí)電容C變?yōu)槭街校害舋——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。放置云母片的電容器一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。變極距型電容式傳感器變面積型電容傳感器原理圖2變面積型電容式傳感器

被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移Δx時(shí)，則電容變化量為式中C0=ε0εrba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系。電容式角位移傳感器原理圖當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)θ=0時(shí)，則式中：εr——介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；

d0——兩極板間距離；

S0——兩極板間初始覆蓋面積。當(dāng)θ≠0時(shí)，則可以看出，傳感器的電容量C與角位移θ呈線性關(guān)系。電容式液位變換器3變介質(zhì)型電容式傳感器上圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。RrL電容式物位計(jì)原理圖Lx變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C為式中：L0和b0——極板的長(zhǎng)度和寬度；L——第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。若電介質(zhì)εr1=1,當(dāng)L=0