4.1工作原理及類型

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1、4.1電容式傳感器的工作原理及類型電子技術(shù)中的三大無源元件是電阻、電容和電感。本章介紹的電容式傳感器則是利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量的變化，進而實現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電容式傳感器發(fā)展較早，在1920—1925年期間，就有人利用電容傳感器成功地測量了大氣壓力變化、機械位移及溫度變化等。但是在工業(yè)應用上發(fā)展緩慢，直到20世紀70、80年代，隨著對電容式傳感器檢測原理及結(jié)構(gòu)的深入研究，和對新材料、新工藝和新電路的開發(fā)，電容式傳感器的一些缺點逐漸得到克服，應用才越來越廣泛，特別是隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可將電容式傳感器與微型的二次儀表封裝在一起，組成集

2、成電容傳感器，能使分布電容等寄生因素的影響大為減小，成為一種很有發(fā)展前途的傳感器，在非電測量和自動檢測中得到廣泛的應用?？捎秒娙輦鞲衅鱽頊y量位移、壓力、厚度、物位、振動、濕度、轉(zhuǎn)速、流量等等。電容傳感器的精度很高，可高達0.01%。有一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達。4.1.1工作原理1平板電容器平板電容器由兩個平行的金屬（塑料外表面鍍金屬也行）電容極板、電極引線和絕緣介質(zhì)組成，如圖4.1.1所示。通常絕緣介質(zhì)可選為空氣。平板電容器的電容值為（4.1.1）其中的單位（法拉），為真空介電常數(shù)，絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，為極板的有效面積（）

3、，為極距（m）。2圓筒形電容器與平板電容器的結(jié)構(gòu)相同，只是極板換成了兩個金屬圓筒，如圖4.1.2所示。設(shè)動極筒的外半徑為，定極筒的內(nèi)半徑為，動極筒伸進定極筒的長度為，則圓筒形電容器的電容值為（4.1.2）當被測非電量使得式（4.1.1）中的、或發(fā)生變化時，電容量也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變而改變另一個參數(shù)，就可把被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，變化的大小與被測參數(shù)的大小成比例，這就是電容式傳感器的工作原理。電容式傳感器可依此劃分為三種類型：變極距型（變化）、變面積型（變化）和變介電常數(shù)型（變化）。在實際中，常以改變極距來進行測量，因為這種靈敏度高于其它兩種。變

4、極距型可測量微米量級的位移，而變面積型只適用于測量厘米量級的位移。這里重點介紹變極距型。4.1.2電容式傳感器的類型分為三類：變極距型（又叫變間隙型）、變面積型和變介電常數(shù)型。一變極距型1基本特性變極距型是將被測量轉(zhuǎn)化為極板間距的變化，從而使電容量變化。由式（4.1.1）知，電容量與極距是雙曲線關(guān)系，而不是線性關(guān)系。如圖4.1.3所示。假設(shè)初始極距為，則初始電容為8（4.1.3）在圖4.1.1中，極板1為定極板，極板2為動極板。當動極板上移，使極距減小時，電容增大至，即（4.1.4）當時，有，上式簡化為（4.1.5）此時與呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。故變極距型應設(shè)計成在極小的范圍

5、內(nèi)變化。電容變化量為（4.1.6）電容的相對變化量為（4.1.7）當時，將按級數(shù)展開得到（4.1.8）討論：1）略去高次項得到（4.1.9）則靈敏度為（4.1.10）由此可見，靈敏度與初始極距的平方成反比，因此可通過減小來提高靈敏度。一般地，初始電容在之間，極距在范圍內(nèi)，最大位移應小于極距的。2）考慮線性項和非線性項，則8（4.1.11）式（4.1.8）的特性如圖4.1.4中曲線1，式（4.1.11）的特性是曲線2。當以曲線2作為傳感器的特性曲線使用時，其相對曲線1的非線性誤差為（4.1.12）因此越小，則越小。只有在很小時（小測量范圍），才近似線性輸出。由以上分析知，

6、要提高靈敏度，就要減小初始極距，另一方面這樣會導致非線性誤差增大，而且極距太小還會引起電容器擊穿。改善擊穿條件的方法是在極板間放置云母片，構(gòu)成有介電層的電容。2有介電層的變極距型電容傳感器在兩極板間增加一層云母片等高介電常數(shù)的材料作介電層，以改善電容器的工作條件（如擊穿條件，可使極距很小時都不被擊穿），提高傳感器的靈敏度。如圖1.1.5所示，設(shè)兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為，通常為空氣介質(zhì)，對應的厚度分別為，此時電容為（由推得）（4.1.13）由于，則（4.1.14）對于云母片是空氣的7倍，擊穿電壓大于，而空氣擊穿電壓為。即使厚度為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也大于

7、。因此，加入了云母片，初始極距可大大減小。同時（4.1.14）式中分母項是恒定值，它能使傳感器輸出特性的線性度得到改善，只要云母片的厚度選取適當，就能獲得較好的線性關(guān)系。3差動變極距型電容傳感器在實際中，為提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素（如電源電壓、環(huán)境溫度等）對測量的影響，常將傳感器做成差動的形式，其原理如圖4.1.6所示。動極板在中間，位于兩個定極板1、2之間，與定極板1、2之間的距離分別為和。當動極板上、下移動時，與兩個定極板形成的電容量一個增大，而另一個減小，這樣可消除外界因素造成的測量誤差。設(shè)初始位置時，有，兩邊的初始電容