電容傳感器的原理及應用

1引言

用電測法測量非電學量時，首先必須將被測的非電學量轉(zhuǎn)換為電學量而后輸入之。通常把非電學量變換成電學量的元件稱為變換器;根據(jù)不同非電學量的特點設計成的有關轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學量(如位移、力、速度等)轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。

從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。力學量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量;這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到1～5 μm數(shù)量級;而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個數(shù)量級，最大量程為100±5 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。

對于上述這些力學量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：

(1)測量范圍大其相對變化率可超過100%;

(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數(shù)量級;

(3)動態(tài)響應快因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量;

(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。

2原理及應用

電容傳感器的工作原理是利用力學量變化使電容器中其中的一個參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：

2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器

圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當2塊極板完全遮蓋時的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當忽略邊緣效應時，該電容器的電容量為：

如果其中一塊板極相對另一極板轉(zhuǎn)過θ角，則極板間的相互遮蓋面積為：

可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。

圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0=ab，當2塊極板相對位移x時，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時，電容量分別為：

可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測量各類線位移。

圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當運動齒相對于固定齒移動一個位移x時，則可得：

比較式(2)和式(3)可見，靈敏度提高了n倍。