电容式传感器的分类及原理

电容式传感器的分类及原理

以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。

    (1).变极距式电容传感器

    图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。

    变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即

    

    式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）
          A——极板面积（m2）
          do——极板间距初始距离（m）
    传感器的这种变化关系呈非线性，如图3所示。

    当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即
    

    电容相对变化量⊿C/Co为

    

    由于，在实际使用时常采用近似线性处理，即

        

    此时产生的相对非线性误差γo为
        
    这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。

       

  为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为
        
    传感器的相对非线性误差γo为
            不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。

        (2).变面积式电容传感器

    图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为

        Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

    电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。