电容传感器(传感器原理与应用)

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1、第三章电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。第一节电容式传感器的工作原理和结构一、基本工作原理电容式传

2、感器是一种具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。由两个平行板组成的电容器的电容量为（3—1）式中——电容极板介质的介电常数。——两平行板所覆盖面积；——两平行板之间的距离；——电容量当被测参数使得式(3—1)中的、和发生变化时，电容量也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此。电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距来进行测量，因为这样获得的测量

3、灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。改变平行板间距的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c与极板距离d不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。若电容器极板距离由初始值do缩小，极板距离分别为do和do-，其电容量分别为C0和C1，即(3—2)(3—3)当Ad《Ju时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为一W一一这时c1与AJ近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad在极小的

4、范围内变化。另外，由图3—2可以看出，当众。较小时，对于同样的AJ变化所引起的电容变化量Ac可以增大，从而使传感器的灵敏度提高；但JI过小时，容易引起电容器击穿。改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片，如图3—3所示。此时电容c变为c——i?云母的相对介电系数，午空气的介电系数，s。＝15云母片的厚度；空气朗厚度。云母的相对介电系数为空气的7倍，其击穿电压不小于103kv／mm、而空气的击穿电压仅为3kv／mm。即使厚度为o．01mme6云母片．它的击穿电压也不小于10kv／mm。因此有厂云母片，极

5、板之间的起始距离可以大大减小。同时式(3—5)分母中的：项是恒定值．它能使电容式传感器的输出特性的线性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较灯的线性关系。一放电容式传感器的起始电容在20一30pF之间，极板距离在25—200Pm的范围内。最大位移应该小于间距的1／10。在实际应用中v为厂提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素(例如电源电压、环境温度等)对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原理如图3—4所示。当动极板移动后．cL和〔”z成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相

6、应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。三、变极板面积型电容式传感器国3—；是一只电容式角位移传感器的原理图遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当动极板有一个角位移6时当9＝o时，则式中el——介电常数。当6760时，则图3—6为圆柱形电容式位移传感器。在初始的位置(即“＝o)时此时电容量为co＝材式中J、从和Dl的单位为cm，c。的单位为pF。当动极板发生位移“后，其电容量为c＝c。一C于(3—t3)即(‘’id基本上成线性关系。采用圆柱形电容器的原因．主要是考虑到动极板稍作径向移动

7、时、不影响电容器的输出特性。四、变介质型电容式传惑器图3—7为一种改变工作介质的电容式传感器。d—p“J?J1i十一62e1c5＝6(Z—d)扁C＝6d下上下十6(J—M)了音—生45lglt；式中6—一—极板宽度。设在电极小无i介质时的电容量为co＝c9十认于JJ太十左式(313)表明．电容量c与位移d成线性关系。五、电容式位移传团器的结构形式电容式位移传感器的基本结构形式，按照将机械位移转变为电容变化的基本原理，通常把它们分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这三种类型又可按位移的形式分为

8、线位移和角位移两种。每一种又依据传感器的形状分成千板型和圆筒型两种。电容式传感器也还有其他的形状，但一般很少见。注意，圆筒式传感器不能用作改变极距的位移传感器。—’般来说，差动式要比单组式的传感器好。差动式传感器不但灵敏度高而且线性范围大，并具有较高的稳定性。绝大多数电容式传感器可制成一极多板的形式。几层重叠板组成的多片型电容传感器具省类似的单片电容器的(d一1)倍电容量。多片型相当于一个大面积的单片电容传感器，但是它能缩小尺寸。六、电容式传感器的输出特性式(3—4)