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电容式传感器可分为哪几类?

文章出处:上海本烜 发表时间:2019-03-14 人气:

根据上述原理,电容式传感器可分为3类,即极距变化型、面积变化型和介质变化型电容传感器。

1 变极距型电容传感器

以平行板电容器为例,上极板固定不动,下极板为动极板,设初始时两极板距离为d0。当距离减小Δd时,则电容相应增大,电容的相对变化为

可见,电容的相对变化与位移之间为非线性关系。在误差允许的范围内,通过略去高次项可得近似的线性关系,即电容式传感器的静态灵敏度为。如果只考虑二次非线性项,忽略其他更高次项,可得非线性误差为:

非线性误差随着极距减小而增大,通常极距变化范围为Δd/d0≈0.1,因此,此类电容传感器仅适用于较小位移的测量(0.01 μm~1 mm)。

为了提高灵敏度和减小非线性误差,同时克服外界条件如电源电压、环境温度变化的影响,实际应用中常采用差动式的电容传感器。差动电容器总电容变化为:

所以电容式传感器做成差动式结构后,在同样的位移相对变化时,非线性误差大大降低,而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。

接近传感器

2 变面积型电容传感器

以平行板电容器为例的变面积型电容传感器,当上极板移动时,两极板间的相对覆盖面积发生变化,从而引起电容的变化。这样的传感器可以用于位移测量。根据应用要求,有平行板型极板、圆筒型极板和锯齿型极板等,这类传感器具有较好的线性特性。

当动极板发生线位移后,相对应的电容变化为,其中K为灵敏度,其输出与输入成线性关系,灵敏度是常数。但是平行板型结构对极距变化特别敏感,测量精度会受影响,而圆筒形结构受极板径向变化的影响很小,成为实际中最常采用的结构。当动筒移动后,两筒重叠长度发生变化时,电容变化为:其中K为灵敏度。

3 变介质型电容传感器

变介质型电容传感器是在电容器两极板间插入不同介质导致电容变化,利用这种原理制作的传感器常被用来测量液体的液位(即电容式液位传感器)和材料的厚度等。

同轴圆柱形电容器的初始电容为。测量时,电容器的介质一部分是被测液位的液体,一部分是空气。C1为液体高度为hx时形成的电容,C2是空气高度h-hx形成的电容,由于C1和C2可以等效看成并联的两电容器,所以总电容为:

可知,电容理论上与液面高度成线性关系,只要测出电容的大小,就可得到液位高度。


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