電容式傳感器在電路中的應(yīng)用原理是什么？

電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(jù)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(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)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(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。

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(jié)構(gòu)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(dǎo)致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)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。

電容式傳感器工作原理由物理學(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為(F)式中—真空的介電常數(shù)，=8.854×10-12F/m;ε—極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，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(fā)生變化時，會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)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(zhuǎn)換為電信號輸出。根據(jù)電容器參數(shù)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(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。

電容式傳感器的分類及原理

以電容器為敏感元件，將機械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進行位移測量。

(1).變極距式電容傳感器

空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器的工作原理圖。其中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量的變化量⊿C，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移量⊿d。

為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它有三個極板，其中兩個固定不動，只有中間極板可產(chǎn)生移動。當中間活動極板處于平衡位置時，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動極板向右移動⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化。

不難看出，變極距式電容傳感器改成差動之后，不但非線性誤差大大減小，而且靈敏度也提高了一倍。

(2).變面積式電容傳感器

變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)，它由兩個電極構(gòu)成，其中一個為固定極板，另一個為可動極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變(即電介質(zhì)常數(shù)不變)，當兩極板完全重疊時，其電容量為

Co=⊿A/d

當動極板繞軸轉(zhuǎn)動一個α角時，兩極板的對應(yīng)面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來，就實現(xiàn)了角位移轉(zhuǎn)換為電量的電測變換。

電容式位移傳感器的位移測量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測量精度較高，其分辨率可達0.3um。

電容感器可用來測量直線位移、角位移,振動振幅(可測至0.05μm的微小振幅),尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量,還可用來測差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量點介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。

當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時,往往采用單電極式變極距型電容傳感器,這時被測物是電容器的一個電極,另一個電極則在傳感器內(nèi)。航空航天、汽車制造、石油化學(xué)、燒磚、陶瓷、表面處理、大氣環(huán)境、環(huán)境實驗箱、食品、飲料、高科技、曖通、工業(yè)、冶金、氣象、計量、軍事、制藥、造紙等行業(yè)都有用到。