淺談電容式傳感器原理及測量電路

【摘要】電容傳感器可以用來測量位移、力、壓力、速度等參量，應用十分廣泛，結構又很簡單。本文主要討論了電容傳感器的原理、結構及測量電路。

【關鍵詞】電容傳感器；靈敏度；差動

前言

電容傳感器是以電容器為敏感元件，將被測參量，如機械位移量轉換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。它不但廣泛應用于加速度、位移、振動、角度等機械量的測量，而且還可以用于壓力、液面、成分含量、料面、濕度等方面的測量，隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展促使它揚長避短，逐步成為傳感器家族中不可或缺的一類。

1、電容傳感器的原理

用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容C為：

上式中，S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0=8.85pF/m；ε—電容極板間介質的介電常數(shù)。δ、S和εr中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C。δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。

2、電容傳感器的種類

1）變極距型電容傳感器

平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型傳感器常用于壓力的測量。設初始極距為d0，C0為初始電容值，當動極板有位移x，使極板間距減小后，其電容值變大（如圖1所示）。

電容量Cx與位移x不是線性關系。其靈敏度不為常數(shù)，為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，實際應用中大都采用差動式結構。如圖2所示，電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。

2）變面積型傳感器

變面積式電容傳感器如圖3所示，可以用于線位移測量，也可以用于角位移測量，根據(jù)應用的要求，有平行板型極板、圓筒型極板、鋸齒型極板等，具有較好的線性特性。

3）變介電常數(shù)式

變介電常數(shù)式電容傳感器是在電容器兩極板間插入不同介質，電容器的電容量就不同，利用這種原理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體的液位（如圖4所示）和材料的厚度等。傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關系。

3、電容式傳感器測量電路

1）橋式電路

單臂接法的橋式測量轉換電路（如圖5（a）所示）。當交流電橋平衡時有：

如圖5 （b）為電橋差動接法，其靈敏度增加了一倍，非線性誤差降為零，常用差動接法。

2）調(diào)頻電路

調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應的變化。

3）脈沖調(diào)制電路

脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器得到對應于被測量變化的直流信號。

4、結束語

電容傳感器結構簡單，測量范圍大、靈敏度高、結構簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。電容式傳感器隨著科學技術的發(fā)展，其應用優(yōu)勢越來越突出，而且出現(xiàn)了智能化電容傳感器，即結合微處理器的控制功能，完成測控系統(tǒng)成為全數(shù)字化系統(tǒng)的拼圖。

參考文獻

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