电容式传感器的基本原理

时间:2024-06-13

  电容式传感器由电容量可变的电容器和测量电路组成,其变量间的转换原理如图5—2所示。

  图5—2电容式传感器变量间的转换关系
  由电学可知,两个平行金属极板组成的电容器,如果不考虑其边缘效应,其电容为
  Se——两个极板介质的介电常数
  S——两个极板的相对有效面积

  d——两个极板间的距离。

  由上式可知,改变电容C的方法有三种,一是改变介质的介电常数s;二是改变形成电容的有效面积S;三是改变两个极板间的距离d。根据被测量的变化得到电参数的输出为电容值的增量ΔC,这就是电容式传感器的基本工作原理。
  根据上述原理,在应用中电容式传感器有三种基本类型,即变极距(或称为变间隙)型、变面积型和变介电常数型。它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面形三种。

  1.变极距型电容式传感器

  图5—4所示是变极距型电容式传感器的结构原理图。图中1、3为固定极板;2为可动极板,其位移由被测量的变化引起。当可动极板向上移动△d(8),图5—4a所示结构的电容增量为
  AC-2-5C(5-2)
  式中Co——极距为极板间初始距离d时的初始电
  上式说明ΔC 与△d 不是线性关系。但当△d<d
  结构原理图 (即量程远小于极板间初始距离)时,可以认为ΔC
  与△d是线性的。因此这类传感器一般用来测量微小变化的量,如0.01μm至零点几毫米的线位移等。
  在实际应用中,为了改善非线性、提高灵敏度和减少外界因素(如电源电压、环境温度等)的影响,电容式传感器也和电感传感器一样常常做成差分形式,如图5—4b所示。当可动极板向上移动Δd时,极板1、2间电容量增加,极板2、3间电容量减小。
  2.变面积型电容式传感器
  图5—5所示是变面积型电容式传感器的常见结构示意图。与变极距型电容式传感器相比,它们的测量范围大。可测量较大的线位移或角位移。图中1、3为固定极板,2为可动极板。当被测量变化使可动极板位移时,即改变了电极间的遮盖面积,电容量C也就随之变化。对于电容间遮盖面积由S变为S'时,电容变量为

 

  式中△S=S-S'。

  由上式可知,电容的变化量与面积的变化量呈线性关系。

  变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位、液量,还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度、容量的改变而改变来测量温度、湿度、容量等。以测量液面高度为例,电容式液位传感器的结构原理与等效电路如图5—6所示。

  图5—6所示同轴圆柱形电容器的初始电容为

  测量时,电容器的介质一部分是被测液位的液体,一部分是空气。设C为液体有效高度h,形成的电容,C2为空气高度(h—h,)形成的电容,则

  由于C1和C2并联,所以总电容为

  其电容量与被测量的关系为

  式中h——电极圆筒高度;
  1、2——内极筒外半径和外极筒内半径;h、——被测液面高度及其介电常数;E0——间隙内空气的介电常数。
  可见,电容C理论上与液面高度h,呈线性关系,只要测出传感器电容C的大小,就可得到液位高度。在实际应用中,常采用差动式结构的电容式传感器,其灵敏度比单极式提高一倍,非线性度也大为减小。


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