電容傳感器的原理及應(yīng)用

1引言

用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器;根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量(如位移、力、速度等)轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。

從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量;這些量又都是通過長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5 μm數(shù)量級(jí);而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為100±5 μm，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。

對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過100%;

(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí);

(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量;

(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)幅射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。

2原理及應(yīng)用

電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：

2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器

圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，該電容器的電容量為：

如果其中一塊板極相對(duì)另一極板轉(zhuǎn)過θ角，則極板間的相互遮蓋面積為：

可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測(cè)量角位移。

圖1(b)中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0=ab，當(dāng)2塊極板相對(duì)位移x時(shí)，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾1=b(a-x)。在介電常數(shù)和極板距離不變時(shí)，電容量分別為：

可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測(cè)量各類線位移。

圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得：

比較式(2)和式(3)可見，靈敏度提高了n倍。