现代检测技术 电容式传感器

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一、基本原理和结构类型 四、测量电路 二、输入－输出特性 五、电容传感器的一些特殊问题

三、等效电路分析

六、电容式传感器的应用

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电容器是电子技术的三大类无源元件 (电阻、电感和电容)之一，利用电容器的 原理，将非电量转化为电容量，进而实现 非电量到电量的转化的器件称为电容式传 感器。电容式传感器已在位移、压力、厚 度、物位、湿度、振动、转速、流量及成 分分析的测量等方面得到了广泛的应用。 电容式传感器作为频响宽、应用广、非接 触测量的一种传感器，是很有发展前途的。

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一、基本原理和结构类型

典型的电容式传感器中的电容通常做成平行平面形或平 行曲面形。 以平行平面电容器为例分析，当极板的集合尺寸（长和宽） 远大于极间距离和介质均匀条件下（此时电场的边缘效应可忽 略），平行平面电容器电容为 s

C

式中：

d

s ——两个极板相互覆盖的面积；

常数为 0 8.85 10 12 F m

——极板间介质的介电常数（空气或真空的介电

）

d ——两个极板间的距离；

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由上式可知，电容量取决于 、d 、 三个参数，如果让 其中一个参数随被测量变化而变化，保持其余两个参数不变， 这样就能使电容量与被测量有单值的函数关系，从而把被测 量变化转换为电容器电容的变化，这就是电容式传感器的基 本工作原理。

s

按被测量所改变的电容器的参数来分，电容式传感器可分为： 变极距型、变面积型和变介质型三种类型；按被测位移分， 可分为角位移式和线位移式；按组成方式可分为单一式和差 动式，按电容极板形状分，与平板电容和圆筒电容或平行平 面与平行曲面型。

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二、输入－输出特性

⑴变极距型电容式传感器 ①单一式 设初始时，电容值为 C 0 s / d 0

图7-1 单一式变极距型电容式传感器

当被测量变化使动极板上移时，电容值为 s s

c0 C d d d 0 d d 0 (1 ) 1 d0 d0

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②差动式

图7-2 差动式变极距型电容式传感器

当动极板位移时，

d1 d 0 d

d 2 d 0 d

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利用上式： c0 s s C d d d 0 d d 0 (1 ) 1 d0 d0

d d ) C 2 C 0 /(1 ) 两个电容分别为 C1 C 0 /(1 d0 ds

由上面两式可得，差动式变极距型电容传感器的差动 电容公式为

C1 C 2 d 2 d1 d C1 C 2 d 2 d1 d 0

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③具有固体介质的变极距型电容式传感器

图7-3 具有固体介质的变极距型电容式传感器

电容器的初始电容为 C

0s

d1 d2

r2

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如果气隙 d 1减小 d1了，电容 C 将增大 C ， 变为

C C

0s

d1 d1 d2

r2

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⑵变面积型电容式传感器

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