電容式傳感器的工作原理

　　電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)物理量或機(jī)械量轉(zhuǎn)換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。

　　容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為：

　　式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化，通過測(cè)量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小，可判斷被測(cè)量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。

　　電容式傳感器分類

　　根據(jù)傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。

　　根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)可把電容式傳感器分為三種類型的結(jié)構(gòu)形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據(jù)傳感器極板形狀分成平（圓形）板形和圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

　　電容式傳感器的幾種基本形式

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常僅改變?nèi)?a target="_blank">參數(shù)之一以使其變化。所以電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距（變間隙）型、變面積型型和變介電常數(shù)型稱重傳感器。

　　電容式傳感器的三種基本結(jié)構(gòu)形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種每一種又依據(jù)傳感器權(quán)板形狀分成平板和圓形或圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他的形狀、但一般很少用，故表中未列出。其中差動(dòng)式傳感器一般優(yōu)于單組（單邊）式傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。

　　1．變極匝型電容式傳感器

　　變極距型電容式傳感器用一個(gè)固定極扳和一個(gè)可動(dòng)極板構(gòu)成：可動(dòng)極板由被測(cè)金屬平面充當(dāng)。當(dāng)電容式傳感器極板間距因被測(cè)量變化而變化時(shí)．電容變化量為極距是時(shí)的初始電容量。

　　極板間距的變化不是線性關(guān)系說明該類型電容式傳感器存在著原理性非線性誤差．即量程遠(yuǎn)小于兩極板問的初始距離）時(shí)，可以認(rèn)為么是線性關(guān)系，因此，這種類型的傳感器一般用來測(cè)量微小的位移變化量。

　　但在極板間距過小時(shí)，電極表面的平面度對(duì)靈敏應(yīng)有影響，同時(shí)還容易引起電容器擊穿，

　　因此．極板間距不能無限小。改善的辦法是在極板間增放一片云母片或塑料膜。

　　云母的相對(duì)介電系數(shù)為空氣的7倍其擊穿電壓不小于l0的3次方kv／mm，而空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm，即使厚度為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也術(shù)小于10kv／mm。因此，放置云母片后，極板之間的起始距離卸可以大大減小。只要云母片選得恰當(dāng)，就能獲得較好的線性關(guān)系拉繩位移傳感器。

　　一般電容式傳感器的起始電容約為20PF一30pF之間，極板間距在25um一200um左右，最大位移應(yīng)該大于間距的1/10.

　　實(shí)際使用中，為改善非線性，提高靈敏度及克服某些外界條件如電源電比、環(huán)境溫度變化的影響等、常常采用茲動(dòng)式結(jié)構(gòu)，在未開始測(cè)量的初始狀態(tài)時(shí)，將可動(dòng)極板調(diào)整友中間位置，位兩邊電容相等；測(cè)員時(shí)。中間極板跟隨被測(cè)對(duì)象上下移動(dòng)，就會(huì)引起上下兩部分的電容量上增下減或上減下增，所以兩邊電容的控值這樣提高了靈敏廢，問時(shí)在零點(diǎn)附近作的線性度也得到了改善。

　　需要指出，圓柱形極板小能制成交權(quán)距利。

　　2．變面積（s）型電容式傳感器

　　變四積型電容式傳感器中．平板形結(jié)構(gòu)對(duì)圾距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受權(quán)板徑向變化的影響很小v成為實(shí)際應(yīng)用中最常來只結(jié)構(gòu)．其干線位移單組式的電容量在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為電容傳感器的電容變化與線位移成正比。

　　3．變介電常數(shù)（e）型電容式傳感器

　　變介電常數(shù)（c）型電容式傳感器大多用來測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位、還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣故應(yīng)，表5—l中單組式平板形線位移傳感器的電容量與介質(zhì)線位移的關(guān)系為固定極板的長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度。

　　由此可見，電容量與線位移呈線性關(guān)系。

　　厚度傳感器中的電容量與厚度的關(guān)系為式中的符號(hào)含義與式相同。由此可見，電容量與厚度之間呈非線性關(guān)系。

　　應(yīng)該注意的是，如果電極之間的被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)電時(shí)，在電極表面應(yīng)涂覆絕緣層，以防止電極間短路。