2. 常用的传感器技术

「2.4」 电容式传感器

「2.4.1」 电容式传感器的工作原理

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电容器由两个用介质(固体、液体或气体)或真空隔开的电导体构成。

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——极板相对覆盖面积；

——极板间距离；

——相对介电常数；

——真空介电常数 ；

——电容极板间介质的介电常数。

因此「极板面积」、「介电常数」、「极板距离」三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化转换为「电容量的变化」，根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即「变面积型」、「变介电常数型」和「变极距（或称变间隙）型」。

2.4.1.1 变面积型电容传感器

当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量为：

「显然， 与 间呈线性关系」

当 时： ,

当 时：

2.4.1.2 变介电常数型电容式传感器

当 时，传感器的初始电容：

当被测电介质进入极板间 深度后，

引起电容相对变化量为：

「电容变化量与电介质移动量L呈线性关系。」

2.4.1.3 变极距型电容传感器

初始电容：

若极距缩小 ：

若 时，则上式可化简为：

「此时，电容变化量与位移有线性关系，最大位移应小于间距的1/10。」

(a)、(e) 变极距(d)型

(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h) 变面积(S)型

(i) ~ (l) 变介电常数(ε)型

「2.4.2」 电容式传感器主要性能

2.4.2.1 灵敏度

「被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比：」

「(1)」 「平板式变面积型」

减小 、增大 可提高灵敏度。

「(2)」 「变极距型」

其静态灵敏度为：

，将上式展开成级数得：

减小 可提高灵敏度，然而 过小易导致电容器击穿，可以在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性能。

2.4.2.2 变极距型电容器的非线性

取值不能大，否则将降低灵敏度。

2.4.2.3 电容传感器得动态特性

电容传感器的可动部分可以做得很小很薄，质量很轻，减小了惯性，因此「固有频率很高」，「动态响应时间短」，能在几兆赫的频率下工作，特别「适合动态测量」。可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。

2.4.2.4 输出阻抗高

传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为「几十到几百皮法」，使传感器的「输出阻抗很高」，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达 。因此传感器「负载能力差」。

2.4.2.5 容易受寄生电容影响

传感器的「初始电容量很小」，而传感器的「引线电缆电容」、测量电路的「杂散电容」以及「传感器极板与其周围导体构成的电容」等“ 「寄生电容」 ”却较大，影响测量精度。

2.4.2.6 电容传感器存在边缘效应

边缘效应不仅使电容传感器的「灵敏度降低」，而且「产生非线性」。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有「保护电极」的结构，如上图所示。

2.4.3 电容式传感器测量电路

「运算放大器式电路」

「最大特点：」 能克服变极距型电容传感器的非线性。

是传感器电容； 是固定电容； 是输出电压信号。

「结论」：从原理上保证了「变极距型电容式传感器的线性」。假设放大器开环放大倍数 ，输入阻抗 。因此仍然存在一定的非线性误差，但一般 和 足够大，所以这种误差很小。

如果是变介电常数或变面积型电容传感器，电容变化与被测量变化是线性的，则可以采用下边这种连接形式。

，当 时，

2.4.4 电容式传感器的应用

「电容式差压传感器」

结构简单、灵敏度高、响应速度快(约 )，能测微小压差( )。测量真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空( )。

「电容式位移传感器」

「电容式加速度传感器」

「1、5-固定极板 2-壳体 3-簧片 4-质量块 6-绝缘体」

精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度。