電容式傳感器的結構：電容式傳感器的三種基本結構形式

關鍵詞：
電容式傳感器
變極距型
變面積型
變介電常數型

摘要：電容式傳感器實際應用時，常常僅改變三參數之一以使其變化。所以電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距(變間隙)型、變面積型和變介電常數型稱重傳感器。

　　電容式傳感器實際應用時，常常僅改變三參數之一以使其變化。所以電容式傳感器可分為三種基本類型：變極距(變間隙)型、變面積型和變介電常數型稱重傳感器。
　　電容式傳感器的三種基本結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種每一種又依據傳感器權板形狀分成平板和圓形或圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他的形狀、但一般很少用。其中差動式傳感器一般優于單組(單邊)式傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高。
1．變極距式電容式傳感器
　　變極距式電容式傳感器用一個固定極扳和一個可動極板構成：可動極板由被測金屬平面充當。當電容式傳感器極板間距因被測量變化而變化時，電容變化量為極距是時的初始電容量。極板間距的變化不是線性關系說明該類型電容式傳感器存在著原理性非線性誤差，即量程遠小于兩極板問的初始距離)時，可以認為么是線性關系，因此，這種類型的傳感器一般用來測量微小的位移變化量。
　　但在極板間距過小時，電極表面的平面度對靈敏應有影響，同時還容易引起電容器擊穿，因此，極板間距不能無限小。改善的辦法是在極板間增放一片云母片或塑料膜。云母的相對介電系數為空氣的7倍其擊穿電壓不小于l0的3次方kv/mm，而空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm，即使厚度為0.01mm的云母片，它的擊穿電壓也術小于10kv/mm。因此，放置云母片后，極板之間的起始距離卸可以大大減小。只要云母片選得恰當，就能獲得較好的線性關系拉繩位移傳感器。
　　一般電容式傳感器的起始電容約為20PF-30PF之間，極板間距在25μm-200μm左右,最大位移應該大于間距的1/10。實際使用中，為改善非線性，提高靈敏度及克服某些外界條件如電源電比、環境溫度變化的影響等、常常采用茲動式結構，在未開始測量的初始狀態時，將可動極板調整友中間位置，位兩邊電容相等；測量時。中間極板跟隨被測對象上下移動，就會引起上下兩部分的電容量上增下減或上減下增，所以兩邊電容的控值這樣提高了靈敏廢，這時在零點附近作的線性度也得到了改善。
2．變面積(s)型電容式傳感器
　　變面積型電容式傳感器中，平板形結構對圾距變化特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結構受權板徑向變化的影響很小v成為實際應用中最常來只結構，其干線位移單組式的電容量在忽略邊緣效應時為電容傳感器的電容變化與線位移成正比。
3．變介電常數(e)型電容式傳感器
　　變介電常數(c)型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位、還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣故應，單組式平板形線位移傳感器的電容量與介質線位移的關系為固定極板的長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度。
　　由此可見，電容量與線位移呈線性關系。厚度傳感器中的電容量與厚度的關系為式中的符號含義與式相同。由此可見，電容量與厚度之間呈非線性關系。
　　應該注意的是，如果電極之間的被測介質導電時，在電極表面應涂覆絕緣層，以防止電極間短路。

電容式傳感器的結構：電容式傳感器的三種結構類型

有關電容式傳感器的小知識，這里說一說電容傳感器的三種結構類型，一是變極距型電容傳感器，二是變面積型電容傳感器，三是變介電常數型電容傳感器，一起來學習下。
電容式傳感器的結構類型
1、變極距型電容傳感器
變極距(δ）型: (a)、(e)。
2、變面積型電容傳感器
變面積型(A)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h）。
（1）板狀線位移：極板2可以左右移動。極板1固定不動。
（2）筒形：外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。
（3）角位移：極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移θ度時，兩極板的遮蓋面積A↓→電容量↓。
如下圖：

3、變介電常數型電容傳感器
變介電常數(ε )型: (i)～(l)。
各種介質的相對介電常數不同，在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量會有不同。
主要作用：用來測量物位或液位，或測量位移大小。
表1 幾種介質的相對介電常數
以上就是電容式傳感器的三種結構類型的相關知識，希望對大家有所幫助。

電容式傳感器的結構：電容式傳感器的工作原理、結構類型及其應用與注意事項

　　電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。
　　
　　70年代末以來，隨著集成電路技術的發展，出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。
　　典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。
　　電容式傳感器的工作原理
　　電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。
　　電容傳感器工作原理
　　由物理學可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為
　　
　　式中
　　 —真空的介電常數， =8.854×10-12F/m；
　　ε—極板間介質的相對介電系數，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發生變化時，會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，而僅改變另一個參數，就可把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。
　　根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。
　　電容傳感器特點
　　主要優點：
　　（1） 輸人能量小而靈敏度高；
　　（2）電參量相對變化大；
　　（3） 動態特性好；
　　（4） 能量損耗小；
　　（5）結構簡單，適應性好。
　　主要缺點：（1）非線性大。（2）電纜分布電容影響大。
　　電容式傳感器應用舉例：電容式轉速傳感器
　　
　　當齒輪轉動時，電容量發生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。
　　電容式傳感器的結構類型
　　變極距（δ）型： （a）、（e）
　　變面積型（A）型： （b）、（c）、（d）、（f）、（g） （h）
　　變介電常數（ε ）型： （i）～（l）
　　
　　（1） 變極距型電容傳感器
　　
　　（2） 變面積型電容傳感器
　　角位移：極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移θ度時，兩極板的遮蓋面積A↓→電容量↓。
　　板狀線位移：極板2可以左右移動。極板1固定不動。
　　筒形：外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。
　　
　　（3） 變介電常數型電容傳感器
　　因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。
　　
　　電容式傳感器的應用及其注意事項
　　電容式傳感器的應用
　　電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且還逐步地擴大到用于壓力、差壓、液位、物位或成份含量等方面的測量。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　電容式傳感器應用中的注意事項
　　（1） 克服寄生電容的影響
　　電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其電容量都很小（pF到幾十pF），屬于小功率、高阻抗器件，因此極易外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。
　　（2） 克服邊緣效應的影響
　　實際上當極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效
　　應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。
　　（3） 克服靜電引力的影響
　　電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。
　　（4） 溫度影響
　　環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結構尺寸和對介質的影響兩方面。

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第5章  電容式傳感器 圖5-5  電容式角位移傳感器原理圖 5.2  電容式傳感器的靈敏度及非線性 圖5-8  差動平板式電容傳感器結構 5.3  電容式傳感器的測量電路 5.4  電容式傳感器的應用         若傳感器輸入不為 0, 則C1 ≠ C2, 那么I1≠I2, 此時RL上必定有信號輸出, 其輸出在一個周期內的平均值為           式中f為電源頻率。 當RL已知, 式（5 - 32）中［R（R+2RL）/（R+RL）2］RL=M（常數）, 則               Uo=Ei fM(C1-C2)          從式（5 - 33）可知, 輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關, 而且與T型網絡中的電容C1和C2的差值有關。 當電源電壓確定后, 輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數。該電路輸出電壓較高, 當電源頻率為 1.3MHz, 電源電壓Ei=46 V時, 電容從-7～+7pF變化, 可以在 1MΩ負載上得到-5～+5 V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關, 故輸入電源要求穩定。當Ui幅值較高, 使二極管VD1、VD2工作在線性區域時, 測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關, 而僅與R1、R2及RL有關, 其值為1～100kΩ。 輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1kΩ的負載電阻上升時間為 20 μs左右, 故可用來測量高速的機械運動。           四、 脈沖寬度調制電路         脈沖寬度調制電路如圖 5 - 12 所示。 圖中C1、C2為差動式電容傳感器, 電阻R1=R2, A1、A2為比較器。當雙穩態觸發器處于某一狀態, Q=1,=0, A點高電位通過R1對C1充電, 時間常數為τ1=R1 C1, 直至F點電位高于參比電位Ur, 比較器A1輸出正跳變信號。與此同時, 因=0, 電容器C2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發器翻轉, 使Q=0,=1, 于是A點為低電位, C1通過VD1迅速放電, 而B點高電位通過R2對C2充電, 時間常數為τ2=R2C2, 直至G點電位高于參比電位Ur。         比較器A2輸出正跳變信號, 使觸發器發生翻轉, 重復前述過程。 電路各點波形如圖 5 - 13 所示, 當差動電容器的C1=C2時, 其平均電壓值為零。當差動電容C1 ≠ C2, 且C1 > C2時, 則τ1=R1 C1>τ2=R2 C2 。由于充放電時間常數變化, 使電路中各點電壓波形產生相應改變。 ?         如圖 5 - 13（b）所示, 此時uA、uB脈沖寬度不再相等, 一個周期（T1+T2）時間內其平均電壓值不為零。此uAB電壓經低通濾波器濾波后, 可獲得輸出           式中:  U1——觸發器輸出高電平;T1、T2——C1、C2充放電至Ur所需時間。      由電路知識可知: T1=R1C1ln                                              （5 - 35）                   T2=                                               （5 - 36）               將T1、T2代入式（5 - 34）, 得          把平行板電容的公式代入式（5 - 37）, 在變極板距離的情況下可得  式（5 - 38）中d1、d2分別為C1、C2極板間距離。          當差動電容C1=C2=C0, 即d1=d2=d0時, uAB=0; 若C1≠ C2, 設C1 > C2, 即d1=d0 -d, d2=d0+Δd, 則  同樣, 在變面積電容傳感器中, 則有         由此可見, 差動脈寬調制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動式電容傳感器, 并具有線性特性, 且轉換效率高, 經過低通放大器就有較大的直流輸出, 且調寬頻率的變化對輸出沒有影響。       一、 電容式壓力傳感器         圖 5 - 14 所示為差動電容式壓力傳感器的結構圖。圖中所示為一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。          當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產生位移時, 形成的兩個電容器的電容量, 一個增大, 一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。            二、 電容式加速度傳感器         圖 5 - 15 所示為差動式