描述

電容式傳感器有哪些

電容式傳感器可分為3類，即極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型電容傳感器。

1 變極距型電容傳感器

以平行板電容器為例電容式，上極板固定不動，下極板為動極板，設(shè)初始時兩極板距離為d0。當距離減小Δd時，則電容相應(yīng)增大，電容的相對變化為

可見，電容的相對變化與位移之間為非線性關(guān)系。在誤差允許的范圍內(nèi)，通過略去高次項可得近似的線性關(guān)系，即電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度為。如果只考慮二次非線性項，忽略其他更高次項，可得非線性誤差為：

非線性誤差隨著極距減小而增大，通常極距變化范圍為Δd/d0≈0.1，因此，此類電容傳感器僅適用于較小位移的測量（0.01 μm～1 mm）。

為了提高靈敏度和減小非線性誤差，同時克服外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，實際應(yīng)用中常采用差動式的電容傳感器。差動電容器總電容變化為：

所以電容式傳感器做成差動式結(jié)構(gòu)后，在同樣的位移相對變化時，非線性誤差大大降低，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。

2 變面積型電容傳感器

以平行板電容器為例的變面積型電容傳感器，當上極板移動時，兩極板間的相對覆蓋面積發(fā)生變化，從而引起電容的變化。這樣的傳感器可以用于位移測量。根據(jù)應(yīng)用要求，有平行板型極板、圓筒型極板和鋸齒型極板等，這類傳感器具有較好的線性特性。

當動極板發(fā)生線位移后，相對應(yīng)的電容變化為，其中K為靈敏度，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)。但是平行板型結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度會受影響，而圓筒形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)。當動筒移動后，兩筒重疊長度發(fā)生變化時，電容變化為：其中K為靈敏度。

3 變介質(zhì)型電容傳感器

變介質(zhì)型電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)導(dǎo)致電容變化電容式，利用這種原理制作的傳感器常被用來測量液體的液位（即電容式液位傳感器）和材料的厚度等。

同軸圓柱形電容器的初始電容為。測量時，電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。C1為液體高度為hx時形成的電容，C2是空氣高度h-hx形成的電容，由于C1和C2可以等效看成并聯(lián)的兩電容器，所以總電容為：

可知，電容理論上與液面高度成線性關(guān)系，只要測出電容的大小，就可得到液位高度。

另一種測量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電容式傳感器結(jié)構(gòu)和平行板電容器類似，當有一厚度未知，但相對介電常數(shù)已知的介質(zhì)通過極板間隙時，可以通過電容的改變得到介質(zhì)厚度。

電容式傳感器的應(yīng)用場合

電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結(jié)果的影響：①減小環(huán)境溫度、濕度變化（可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化）；②減小邊緣效應(yīng)；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地（對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離）；⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。

文章由啟和科技編輯