电容式传感器原理论文

电容式传感器原理论文

【摘要】电容传感器结构简单，测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。。

【关键词】电容传感器；灵敏度；差动

前言

电容传感器是以电容器为敏感元件，将被测参量，如机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。它不但广泛应用于加速度、位移、振动、角度等机械量的测量，而且还可以用于压力、液面、成分含量、料面、湿度等方面的测量，随着集成电路技术和计算机技术的发展促使它扬长避短，逐步成为传感器家族中不可或缺的一类。

1、电容传感器的原理

用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：

上式中，S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0=8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。

δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

2、电容传感器的种类

1）变极距型电容传感器

平行板电容器的ε和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。设初始极距为d0，C0为初始电容值，当动极板有位移x，使极板间距减小后，其电容值变大（如图1所示）。

电容量Cx与位移x不是线性关系。其灵敏度不为常数，为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图2所示，电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。

2）变面积型传感器

变面积式电容传感器如图3所示，可以用于线位移测量，也可以用于角位移测量，根据应用的要求，有平行板型极板、圆筒型极板、锯齿型极板等，具有较好的线性特性。

3）变介电常数式

变介电常数式电容传感器是在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感

器常被用来测量液体的液位（如图4所示）和材料的厚度等。传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

3、电容式传感器测量电路

1）桥式电路

单臂接法的桥式测量转换电路（如图5（a）所示）。当交流电桥平衡时有：

如图5 （b）为电桥差动接法，其灵敏度增加了一倍，非线性误差降为零，常用差动接法。

2）调频电路

调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。

3）脉冲调制电路

脉冲宽度调制电路是利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。

4、结束语

电容传感器结构简单，测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。电容式传感器随着科学技术的发展，其应用优势越来越突出，而且出现了智能化电容传感器，即结合微处理器的控制功能，完成测控系统成为全数字化系统的拼图。

参考文献

[1]宋雪臣.传感器与检测技术.北京：人民邮电出版社，2011年1月.

[2]蒙文舜.电容传感器的原理及应用.现代电子技术，2003（7）.

[3]陈永真.电容器及其应用.北京：科学出版社，2005年4月.