電容傳感器的原理及應(yīng)用

2.2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器

圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來(lái)檢測(cè)液位的高度，圖2(b)常用來(lái)檢測(cè)片狀材料的厚度和介電常數(shù)。

圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩極，假定部分浸入被測(cè)量液體中(液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理)。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測(cè)量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響?？傠娙軨由液體介質(zhì)部分電容C1和空氣介質(zhì)部分電容C2兩部分組成：

x — 電容器浸入液體中的深度;

R — 同心圓電極的外半徑;

r — 同心圓電極的內(nèi)半徑;

ε1 — 被測(cè)液體的介電常數(shù);

ε2 — 空氣的介電常數(shù)。

當(dāng)容器的尺寸和被測(cè)介質(zhì)確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數(shù)，令：

這說(shuō)明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。

圖2(b)是在一個(gè)固定電容器的極板之間放入被測(cè)片狀材料，則他的電容量為：

式中：S — 電容器的遮蓋面積;

d1 — 被測(cè)物體上側(cè)至電極之間的距離;

d2 — 被測(cè)物體的厚度;

d3 — 被測(cè)物體下側(cè)至電極之間的距離;

ε1 — 被測(cè)物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù);

ε2 — 被測(cè)物體的介電常數(shù);

ε3 — 被測(cè)物體下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。

由于d1+d3=d-d2，且當(dāng)ε1=ε3時(shí)，式(5)還可寫為：

式中d — 兩極板之間的距離。

顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測(cè)物體上下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)ε1和ε3確定時(shí)，電容量的大小就和被測(cè)材料的厚度d2及介電常數(shù)ε2有關(guān)。如被測(cè)材料介電常數(shù)ε2已知，就可以測(cè)量等厚教材料的厚度d2;或者被測(cè)材料的厚度d2已知，就可測(cè)量其介電常數(shù)ε2。這就是電容式測(cè)厚儀和電容式介電常數(shù)測(cè)量?jī)x的工作原理。