Question

电容式传感器分为哪三种类型

Answer 1

1.可变极距电容传感器

以平行板电容器为例，上板固定，下板移动，两板初始距离为d0。当距离减少δd时，电容相应增加，电容的相对变化为

可以看出，电容的相对变化与位移之间的关系是非线性的。在误差允许的范围内，省略高阶项可以得到近似的线性关系，即电容式传感器的静态灵敏度为0。如果只考虑二次非线性项，忽略其他高阶项，则非线性误差可由下式得出:

非线性误差随着极距的减小而增大，极距的范围通常为δd/d0≈0.1。因此，这种电容式传感器只适合测量小位移(0.01微米~1毫米)。

为了提高灵敏度，减小非线性误差，克服外界条件的影响，如电源电压和环境温度，在实际应用中经常使用差动电容传感器。差分电容的总电容变化如下:

因此，当电容传感器做成差动结构时，位移相对变化时的非线性误差大大减小，灵敏度是单极电容传感器的两倍。

2.可变面积电容传感器

当上极板移动时，两极板之间的相对覆盖面积发生变化，从而导致电容的变化。这种传感器可用于位移测量。根据应用要求，有平行板式极板、圆柱形极板和锯齿形极板等。这些传感器具有良好的线性特性。

当移动板线性位移时，相应的电容变化如下，其中k为灵敏度，其输出与其输入线性相关，灵敏度为常数。而平行板结构对极距的变化特别敏感，测量精度会受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，因此成为实践中最常用的结构。当移动的圆柱体移动后，两个圆柱体的重叠长度发生变化时，电容变化如下:其中k为灵敏度。

3.可变介质电容传感器

变介质电容传感器是在电容器的两极板之间插入不同的介质，引起电容变化。用这种原理制成的传感器常用于测量液位(即电容式液位传感器)和物料厚度。

同轴圆柱形电容器的初始电容为。测量时，电容器的介质在测量液位部分是液体，部分是空气。C1是液体高度为hx时形成的电容，C2是空气高度为h-hx时形成的电容。由于C1和C2可视为两个并联的电容，因此总电容为:

可以看出，理论上电容与液位高度成线性关系，通过测量电容可以得到液位高度。

用于测量介电常数变化的另一种电容传感器结构类似于平行板电容器。当厚度未知但相对介电常数已知的介质通过板间间隙时，通过电容的变化可以得到介质的厚度。