電容傳感器的原理及應用

3改變極板間距離的電容傳感器

圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測物體相連的活動極板，可上下移動。當極板間的遮蓋面積為S，極板間介質的介電常數(shù)為ε，初始極板間距為d0時，則初始電容C0為：

當活動極板1在被測物體的作用下向固定極板2位移Δd 時，此時電容C為：

當電容器的活動極板1移動極小時，即Δd

這時電容器的變化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相對非線性誤差為：

顯然，這種單邊活動的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應的誤差也增大。在實際應用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動式電容器及互感器電橋組合結構，如圖3(b)所示。兩邊是固定的電極板1和2，中間由彈簧片支承的活動極板3。2個固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓ΔU隨著活動極板運動而變化。若活動極板的初始位置距2個固定極板的距離均為d0，則固定極板1和活動極板3之間 ，固定2和活動極板3之間的初始電容相等，若令其為C0。當活動極板3在被測物體作用下向固定極板2移動Δd時，則位于中間的活動極板到兩側的固定極板的距離分別為：

由上述推導可知，活動極板和2個固定極板構成電容分別為：

當他們做成差動式電容器及互感器電橋組合結構時，其等效電容為：

雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線性關系，但是消除了級數(shù)中的偶次項，使線性得到改善。當時(在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這個條件)，略去高次項，得：

比較式(9)和式(7)可見，靈敏度提高了1倍。

比較式(10)和式(8)可見，在1時，非線性誤差將大大下降。