电容式传感器的类型及优点、应用用途

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  利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器。电容式传感器是以很多类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。本文收集整理了一些资料，期望能对各位读者有比较大的参阅价值。

  根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

  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)。

  为了提升灵敏度和减小非线性误差，同时克服外界条件如电源电压、环境和温度变化的影响，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。

  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。

  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。

  另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构和平行板电容器类似，当有一厚度未知，但相对介电常数已知的介质通过极板间隙时，可以通过电容的改变得到介质厚度。

  电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损，易发热产生零漂。

  电感式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量;能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的气温变化，承受高压力，高冲击，过载等;能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。

  电感式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10^(-5)N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

  可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

  相信通过阅读上面的内容，大家对电容式传感器有了初步的了解，同时也希望大家在学习过程中，做好总结，这样才能不断提升自己的专业水平。

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