電容式傳感器的工作原理、結構類型及其應用與注意事項

2020-12-13 電子發燒友

電容式傳感器的工作原理、結構類型及其應用與注意事項

發表於 2017-06-03 10:01:17

　　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於位移、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。

　　

　　70年代末以來，隨著集成電路技術的發展，出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。

　　典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關係是非線性關係，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

　　電容式傳感器的工作原理

　　電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。

　　電容傳感器工作原理

　　由物理學可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為

　　

　　式中

　　 —真空的介電常數， =8.854×10-12F/m；

　　ε—極板間介質的相對介電係數，在空氣中，ε=1；

　　S—極板的遮蓋面積（m2）；

　　δ—兩平行極板間的距離（m）。

　　上式表明，當被測量δ、S或ε發生變化時，會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。

　　根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。

　　電容傳感器特點

　　主要優點：

　　（1） 輸人能量小而靈敏度高；

　　（2）電參量相對變化大；

　　（3） 動態特性好；

　　（4） 能量損耗小；

　　（5）結構簡單，適應性好。

　　主要缺點：（1）非線性大。（2）電纜分布電容影響大。

　　電容式傳感器應用舉例：電容式轉速傳感器

　　

　　當齒輪轉動時，電容量發生周期性變化，通過測量電路轉換為脈衝信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。

　　電容式傳感器的結構類型

　　變極距（δ）型： （a）、（e）

　　變面積型（A）型： （b）、（c）、（d）、（f）、（g） （h）

　　變介電常數（ε ）型： （i）～（l）

　　

　　（1） 變極距型電容傳感器

　　

　　（2） 變面積型電容傳感器

　　角位移：極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移θ度時，兩極板的遮蓋面積A↓→電容量↓。

　　板狀線位移：極板2可以左右移動。極板1固定不動。

　　筒形：外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。

　　

　　（3） 變介電常數型電容傳感器

　　因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。

　　

　　電容式傳感器的應用及其注意事項

　　電容式傳感器的應用

　　電容式傳感器不但廣泛用於位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且還逐步地擴大到用於壓力、差壓、液位、物位或成份含量等方面的測量。

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　電容式傳感器應用中的注意事項

　　（1） 克服寄生電容的影響

　　電容式傳感器由於受結構與尺寸的限制，其電容量都很小（pF到幾十pF），屬於小功率、高阻抗器件，因此極易外界幹擾，尤其是受大於它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的幹擾，它與傳感器電容相併聯，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。

　　（2） 克服邊緣效應的影響

　　實際上當極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效

　　應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。

　　（3） 克服靜電引力的影響

　　電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在採用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。

　　（4） 溫度影響

　　環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關係，從而引入溫度幹擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結構尺寸和對介質的影響兩方面。

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