电容式传感器的工作原理与分类_电容式传感器的几种基本形式

　　电容式传感器的工作原理

　　电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

　　容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为：

　　式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

　　电容式传感器分类

　　根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

　　根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种，每一种又依据传感器极板形状分成平（圆形）板形和圆柱（圆筒）形，虽然还有球面形和锯齿形等其他形状，但一般很少用。其中差动式一般优于单组（单边）式传感器，它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。

　　电容式传感器的几种基本形式

　　实际应用时，常常仅改变三参数之一以使其变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距（变间隙）型、变面积型型和变介电常数型称重传感器。

　　电容式传感器的三种基本结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种每一种又依据传感器权板形状分成平板和圆形或圆柱（圆筒）形，虽然还有球面形和锯齿形等其他的形状、但一般很少用，故表中未列出。其中差动式传感器一般优于单组（单边）式传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。

　　1．变极匝型电容式传感器

　　变极距型电容式传感器用一个固定极扳和一个可动极板构成：可动极板由被测金属平面充当。当电容式传感器极板间距因被测量变化而变化时．电容变化量为极距是时的初始电容量。

　　极板间距的变化不是线性关系说明该类型电容式传感器存在着原理性非线性误差．即量程远小于两极板问的初始距离）时，可以认为么是线性关系，因此，这种类型的传感器一般用来测量微小的位移变化量。

　　但在极板间距过小时，电极表面的平面度对灵敏应有影响，同时还容易引起电容器击穿，

　　因此．极板间距不能无限小。改善的办法是在极板间增放一片云母片或塑料膜。

　　云母的相对介电系数为空气的7倍其击穿电压不小于l0的3次方kv／mm，而空气的击穿电压仅为3kv/mm，即使厚度为0.01mm的云母片，它的击穿电压也术小于10kv／mm。因此，放置云母片后，极板之间的起始距离卸可以大大减小。只要云母片选得恰当，就能获得较好的线性关系拉绳位移传感器。

　　一般电容式传感器的起始电容约为20PF一30pF之间，极板间距在25um一200um左右，最大位移应该大于间距的1/10.

　　实际使用中，为改善非线性，提高灵敏度及克服某些外界条件如电源电比、环境温度变化的影响等、常常采用兹动式结构，在未开始测量的初始状态时，将可动极板调整友中间位置，位两边电容相等；测员时。中间极板跟随被测对象上下移动，就会引起上下两部分的电容量上增下减或上减下增，所以两边电容的控值这样提高了灵敏废，问时在零点附近作的线性度也得到了改善。

　　需要指出，圆柱形极板小能制成交权距利。

　　2．变面积（s）型电容式传感器

　　变四积型电容式传感器中．平板形结构对圾距变化特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受权板径向变化的影响很小v成为实际应用中最常来只结构．其干线位移单组式的电容量在忽略边缘效应时为电容传感器的电容变化与线位移成正比。

　　3．变介电常数（e）型电容式传感器

　　变介电常数（c）型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位、还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。若忽略边缘故应，表5—l中单组式平板形线位移传感器的电容量与介质线位移的关系为固定极板的长度和宽度及被测物进入两极板间的长度。

　　由此可见，电容量与线位移呈线性关系。

　　厚度传感器中的电容量与厚度的关系为式中的符号含义与式相同。由此可见，电容量与厚度之间呈非线性关系。

　　应该注意的是，如果电极之间的被测介质导电时，在电极表面应涂覆绝缘层，以防止电极间短路。