浅论电容式传感器

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1、柴油机测试技术作业浅论电容式传感器【摘要】随着电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。本文描述了电容式传感器的工作原理、结构形式、分类和应用的一些问题。【关键词】电容；传感器；差压Abstract：Withthedevelopmentofelectronictechnology,capacitivesensorexistencesolvemanyofthetechnicalproblem,makecap

2、acitivesensornotonlywidelyusedinaccuratemeasurementofthedisplacement,thickness,Angle,vibration,etc,alsousedinmeasuringphysicalforce,stressandpressure,flow,composition,liquidlevel,theparameterssuchasintheautomaticdetectionandcontrolsystemisalsooftenusedtoaspositionsignalgenerator.Thispaperdescrib

3、esthecapacitivesensortotheworkingprinciple,structureform,classificationandapplicationandsoon.Keywords：capacitance;sensor;differentialpressure1电容式传感器的工作原理和结构形式1．1电容式传感器的工作原理电容式传感器是一个具有可变参量的电容器，将被测非电量变化成为电容量。多数情况下，电容式传感器是指以空气为介质的两个平行金属极板组成的可变电容器。Sєδ电容式传感器结构由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，则它的电容量可用下式表示C=єS/δ

4、=є0єrS/δ式中S——极板相互遮盖面积（m2）；δ——两平行板间距离（m）；єr——极板间介质的相对介电常数；є0——真空的介电常数（8.85×10－12F/m）。由上式可见，在єr、S、δ三个参量中，只要保持其中两个不变，改变其中的一个均可使电容量C改变，这就是电容式传感器的工作原理。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积型；改变极板间距离的变极距型；改变极板间介质的变介质型。2电容式传感器的分类2.1变极距型电容式传感器-10-柴油机测试技术作业变极距型电容式传感器原理图当传感器的єr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量为C0若电容器极板间距离由初始值

5、d0缩小了Δd，电容量C0增大了ΔC，则有若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,此时电容C变为式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/

6、mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。2.2变面积电容式传感器-10-柴油机测试技术作业变面积式电容传感器原理图被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系。

7、2.3变介电常数电容式传感器变介质型电容式传感器结构图-10-柴油机测试技术作业变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为式中：L0和b0——极板的长度和宽度；L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时，