電容式傳感器

4.1工作原理電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。

從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為

式中

:——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)。——真空中介電常數(shù)。——極板間距離；

——極板面積。

上式表明，當(dāng)被測量、或數(shù)值發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容C的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變成電容量的變化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。在實(shí)際中，極距變化型與面積變化型的應(yīng)用較為廣泛。

(一)極距變化型

如果兩極板互相覆蓋面積及極板間介質(zhì)不變，則電容量C與極距呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微小變化量時(shí)，引起電容的變化量為

：極距為時(shí)的初始電容量。

存在著原理非線性，所以實(shí)際中常常作成差動式來改善非線性。

考慮到極板的邊緣效應(yīng)，即極板邊沿電場的不均勻性。為消除其影響，采用了保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)與極板具有同一電位。這就把電極板間的邊緣效應(yīng)移到了保護(hù)環(huán)與極板2的邊緣。極板1與極板2之間的場強(qiáng)分布變得均勻了。(二)變面積型電容傳感器(1)直線位移型電容式傳感器

當(dāng)動極板移動△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為電容因位移而產(chǎn)生的變化量為其靈敏度為可見,增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

（2）變面積式電容傳感器的派生型

圖a是角位移型電容式傳感器。當(dāng)動片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為

圖b中極板采用了鋸齒板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。當(dāng)齒板極板的齒數(shù)為n，移動△x后，其電容量為

其靈敏度為

由前面的分析可得出結(jié)論，變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系。

在變面積型電容傳感器中，平板型結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，在實(shí)際中很常用。當(dāng)忽略線位移以及單組式的電容量C的邊緣效應(yīng)時(shí)：：外圓柱與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度。：外圓柱內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓柱相對移動時(shí)，電容變化量為：這類傳感器具有良好的線性。（三）變介電常數(shù)型電容傳感器

變介電常數(shù)型電容傳感器用來測量電介質(zhì)的厚度，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，：兩固定極板間的距離，極筒重合部分的高度。：被測物的厚度、被測液面高度和它的介電常數(shù)。：固定極板長度、寬度。被測物進(jìn)入兩極板間的長度。：空氣的介電常數(shù)。：內(nèi)極筒外半徑和外極筒內(nèi)半徑。注意：電極之間的被測介質(zhì)導(dǎo)電時(shí)，電極表面應(yīng)涂絕緣層（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等）以防止電極間短路。4.2主要性能（1）靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時(shí)，傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。

(a).對于變極矩型：

靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，減少可以提高靈敏度。但過小，易導(dǎo)致電容器擊穿，可在極間加一層云母片，或塑料膜來改善電容器耐壓性能。(b).圓柱形變面積型電容式傳感器

靈敏度取決于，與越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。（2）非線性

對變極距型電容式傳感器而言，當(dāng)極板間距

變化

時(shí)，其電容量隨之變化，輸出電容與被測量之間是非線性關(guān)系。因此常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，而且最大應(yīng)小于極板間距的1/5~1/10。

采用差動形式，非線性得到很大的改善，靈敏度也提高了一倍。變面積型和變介電常數(shù)型電容器具有很好的效應(yīng)，但這需忽略邊緣效應(yīng)。

電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱較小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻式傳感器有電阻，易發(fā)熱產(chǎn)生溫漂。1.溫度穩(wěn)定性好4.3特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)2.結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量。

3.動態(tài)響應(yīng)好

電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時(shí)壓力等。

例如非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)

電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。（二）缺點(diǎn)

輸出阻抗高，負(fù)載能力差。易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)無法工作，必須采取屏蔽措施。（2）寄生電容影響大電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的的引線電纜電容，電子線路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定。4.4電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、減少環(huán)境溫度，濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差并保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應(yīng)極為有利。

傳感器內(nèi)表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封，用以防塵、防潮。傳感器內(nèi)，電極的支架要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。

盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)幾近為零的電介質(zhì)，作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。在可能的情況下，傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)。傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。

2、消除和減少邊緣效應(yīng)適當(dāng)減少極間距。使電極直徑或邊長與間距比很大。可以減少邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿。電極應(yīng)做得很薄使之與極間距相比很小。在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。3、減小和消除寄生電容的影響

寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)影響傳感器精度，而它的變化則為虛假信號，影響傳感器的精度。為減小和消除它，采用如下方法：a.增加傳感器原始電容值。減小極片或極筒間的間距。增加工作面積或工作長度來增加原始電容值。b.集成化將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個(gè)殼體內(nèi)，這樣寄生電容大為減小、變化也小，使傳感器工作穩(wěn)定。c.整體屏蔽將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。d.注意傳感器的接地和屏蔽采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。4.防止和減小外界干擾

電容式傳感器是高阻抗傳感元件，易受外界干擾的影響。當(dāng)外界干擾在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時(shí)就會產(chǎn)生誤差，甚至使傳感器無法正常工作。（1）屏蔽和接地；（2）增加原始電容量，降低容抗；（3）采用同軸屏蔽電纜線；（4）盡可能一點(diǎn)接地；（5）盡量采用差動式電容傳感器。4.6電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容，并轉(zhuǎn)換成電壓或其他電量的電路。低頻：L,r忽略Ce=C0+CpRe≈Rg等效電路：高頻：Rg忽略Ce=C0+Cpre≈rgL：引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r:引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻；C0：傳感器本身的電容；Cp:引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg:極間等效漏電阻。

在低頻時(shí)，傳感器電容的阻抗非常大，因此L和r的影響可以忽略。其等效電路可簡化為圖b。在高