《电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用》

检测与转换技术

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电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用

摘要：

电容式传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，通过传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，在经过测量电路转化为电压、电流或频率。电容式传感器广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还应用于压力、差压、液位、料位等热加工量的测量。本文主要介绍电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用。 关键词： 电容式传感器 工作原理 压力测量 应用发展 Summary:

In all types of capacitive sensors as the sensor capacitor element, the sensor element by changes in the measured physical quantity as a change in capacitance is converted, after measuring circuit into a voltage, current or frequency. Capacitive sensors are widely used in displacement, vibration, angle, acceleration and other mechanical measurement of the amount, also applies pressure, differential pressure, level, level and other thermal processing of the measurement. This paper describes the working principle of the capacitive sensor and its application in pressure measurement.

Keywords: capacitive pressure sensor measurement applications development works 1.引言

电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 电容式传感器的基本工作原理

以储存电荷为目的制成的元件称为电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为

d

A

d

A

c r εεε0=

=

图1：平行板电容器

ε为电容极板间介质的介电常数, ε0 =8.83×10-12

F ／m,其中ε0为真空介电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得上式中的A ，d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可以分为三种类型：变间隙式、变面积式和变介电常数式。

2.1变间隙式电容式传感器

如图2为变极距型电容式传感器的各型原理图。

图2

当传感器的εr 和A 为常数, 初始极距为d 0时, 由

20

2

0000)(1)

1(d d d d

c d d d A r ∆-∆+

=∆-εε

可知其初始电容量C 为C

若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有

C1=C0+ΔC

由该式可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。电容式传感器起始电容量一般设置在十几皮法至几十皮法，极板间隙设置在100~1000чm 的范围比较妥当，动极板移动位移应该小于两极板间距1/10~1/4，电容可增加2~3倍。 2.2变面积电容传感器

如下图是变面积型电容传感器原理图。

变面积线位移电容传感器原理图 变面积角位移电容传感器原理图 图4 图5

移动动极板，改变两极板之间的有效面积，电容量也随之改变，电容C 为：C 0

传感器灵敏度为： 电容增量：

很明显, 这种形式的传感器其电容量C 与水平位移Δx 是线性关系。如图 5 是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。当θ=0 时, 则

C 0=ε0εr A 0d 0

式中: εr 为介质相对介电常数; d 0 为两极板间距离; A 0两极板间初始覆盖面积，当θ≠0时, 则

d

A c ε=

0d A

r εε=

d b

x C K ⋅-=∆∆=

εx

d

b

C C C ∆⋅=

-=∆ε0

C 1=ε0εr A 0 从上式可以看出, 传感器的电容量C 与角位移θ呈线性关系。 2.3变介质型电容式传感器

因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也不同，变介电常数式电容式传感器就是依据此原理制作的。 如图6是变变介电常数电容传感器原理图。

图6

当在电容器两个极板之间充以空气以外的其他介质时，介电常数相应变化，电容量发生改变，构成了变介电常数型电容传感器。

变介电常数电容传感器的结构较多，其中有利用一些非导电固体的湿度变化，介质自身介电常数变化的电容传感器，可以用来测量粮食、纺织品、木材、煤炭等物质的湿度。

图7

如图7 是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为

d

D h H d D h c ln

)

(2ln 21-+=πεπεd

D h d D H ln

)

(2ln 21εεππε-+=

d

D h

c ln

)(210⋅-+

=εεπ