電容式傳感器的工作原理

　　電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。

　　容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計，電容式物位計的電容檢測元件是根據圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數為ε的電解質時，兩圓筒間的電容量為：

　　式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內筒電極的直徑；e為中間介質的電介常數。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結構簡單和靈敏度高，價格便宜等特點的原因之一。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉換為電信號輸出。測知電信號的大小，可判斷被測量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。

　　電容式傳感器分類

　　根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。

　　根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平（圓形）板形和圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優于單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高等特點。

　　電容式傳感器的幾種基本形式

　　實際應用時，常常僅改變三參數之一以使其變化。所以電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距（變間隙）型、變面積型型和變介電常數型稱重傳感器。

　　電容式傳感器的三種基本結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種每一種又依據傳感器權板形狀分成平板和圓形或圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他的形狀、但一般很少用，故表中未列出。其中差動式傳感器一般優于單組（單邊）式傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高。

　　1．變極匝型電容式傳感器

　　變極距型電容式傳感器用一個固定極扳和一個可動極板構成：可動極板由被測金屬平面充當。當電容式傳感器極板間距因被測量變化而變化時．電容變化量為極距是時的初始電容量。

　　極板間距的變化不是線性關系說明該類型電容式傳感器存在著原理性非線性誤差．即量程遠小于兩極板問的初始距離）時，可以認為么是線性關系，因此，這種類型的傳感器一般用來測量微小的位移變化量。

　　但在極板間距過小時，電極表面的平面度對靈敏應有影響，同時還容易引起電容器擊穿，

　　因此．極板間距不能無限小。改善的辦法是在極板間增放一片云母片或塑料膜。

　　云母的相對介電系數為空氣的7倍其擊穿電壓不小于l0的3次方kv／mm，而空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm，即使厚度為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也術小于10kv／mm。因此，放置云母片后，極板之間的起始距離卸可以大大減小。只要云母片選得恰當，就能獲得較好的線性關系拉繩位移傳感器。

　　一般電容式傳感器的起始電容約為20PF一30pF之間，極板間距在25um一200um左右，最大位移應該大于間距的1/10.

　　實際使用中，為改善非線性，提高靈敏度及克服某些外界條件如電源電比、環境溫度變化的影響等、常常采用茲動式結構，在未開始測量的初始狀態時，將可動極板調整友中間位置，位兩邊電容相等；測員時。中間極板跟隨被測對象上下移動，就會引起上下兩部分的電容量上增下減或上減下增，所以兩邊電容的控值這樣提高了靈敏廢，問時在零點附近作的線性度也得到了改善。

　　需要指出，圓柱形極板小能制成交權距利。

　　2．變面積（s）型電容式傳感器

　　變四積型電容式傳感器中．平板形結構對圾距變化特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結構受權板徑向變化的影響很小v成為實際應用中最常來只結構．其干線位移單組式的電容量在忽略邊緣效應時為電容傳感器的電容變化與線位移成正比。

　　3．變介電常數（e）型電容式傳感器

　　變介電常數（c）型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位、還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣故應，表5—l中單組式平板形線位移傳感器的電容量與介質線位移的關系為固定極板的長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度。

　　由此可見，電容量與線位移呈線性關系。

　　厚度傳感器中的電容量與厚度的關系為式中的符號含義與式相同。由此可見，電容量與厚度之間呈非線性關系。

　　應該注意的是，如果電極之間的被測介質導電時，在電極表面應涂覆絕緣層，以防止電極間短路。